книги / Растения как средство очистки олиготрофных сточных и природных вод

УДК 628.543+628.163: 581.5 ББК Н 76

3 813

3 813 Золотухин И.А. Растения как средство очистки олиготрофных сточных и природных вод: Монография / Перм. гос. пед. ун-т. - Пермь, 2001. - 210 с., [3]л. Вставки: табл, и рис. - Библиогр.: с. 179-197 (425 назв.)

18ВИ 5-85218-112-9

В монографии рассматриваются возможности совершенствования экологиче­ ски чистых и ресурсосберегающих биологических методов очистки загрязнённых вод с низким или нулевым содержанием растворимой органики. Рассматриваются способы формирования в таких водах различных волокнистых растительных систем

ввиде водорослей, корневых систем растений или грибов. При этом развивающиеся

вводе волокнистые системы выполняют роль биофильтров с комплексом водоочи­ щающих эффектов: адсорбция, адгезия, биофлокуляция, ионообмен, седиментация в тонком слое, активное поглощение ингредиентов-загрязнителей. Предложены кон­ струкции водоочистных аппаратов.

Издание адресовано специалистам, работающим в области охраны водных ре­ сурсов и очистки воды, а также студентам вузов соответствующих специальностей.

Табл. 31. Рис.64. Библиогр.425 назв.

Р е ц е н з е н т ы :

Межотраслевой научно-исследовательский институт экологии топливноэнергетического комплекса (МНИИЭКОТЭК)

Доктор географических наук, профессор, академик РАЕН, зав. лабораторией моделирования водных экосистем Института экологии и генетики микроорганиз­ мов УрО РАН А.П. Лепихин

Печатается по решению редакционно-издательского совета Пермского государ­ ственного педагогического университета

УДК 628.543+628.163: 581.5 ББК Н 76

I8ВN 5-85218-112-9

© И.А. Золотухин, 2001 © Пермский государственный

педагогический университет, 2001

3.ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫСШИХ РАСТЕНИЙ КАК СРЕДСТВА ОЧИСТКИ ОЛИГОТРОФНЫХВОД

4. КОМПЛЕКСНАЯ ОЧИСТКА ВОДЫ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИМИ И БИОЛОГИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ

4.1. Очистка от микроэлементов электрохимическими и биологическим методами

ВВЕДЕНИЕ

Проблема эффективной очистки сточных вод в современной экологиче­ ской обстановке требует решения целого ряда задач. Из них к наиболее важным можно отнести необходимость высокой интенсивности процессов (использование малых объёмов сооружений и небольших площадей) и экологическую чистоту (ис­ ключение вторичных загрязнений). Указанные требования в определённой степени противоречивы, так как любой интенсивный процесс в соответствии с законами термодинамики требует применения сильных энергетических и химических воздей­ ствий на воду (силовые поля различной физической природы, химические реагенты и т.д.), что приводит к появлению вторичных экологически вредных эффектов.

Проблема экологической чистоты легко решается применением стандарт­ ных, хорошо изученных и широко используемых биологических методов очистки воды гетеротрофным активным илом [62]. В свою очередь, эти методы не обладают высокой интенсивностью и не пригодны для очистки широкого класса промышлен­ ных сточных вод, не содержащих органических примесей, или содержащих их в очень незначительных концентрациях (олиготрофные воды): шахтные и карьерные воды, сточные воды предприятий по производству стройматериалов, стоки гальва­ нических производств и т.д. Для указанных типов сточных вод проблема может быть решена путем разработки комплексных технологий, оптимально сочетающих интенсивные физико-химические методы на первых ступенях очистки и экологиче­ ски чистые биологические методы на стадии доочистки воды.

В настоящем исследовании проблема обеспечения экологической чистоты решалась в основном применительно к сточным водам предприятий угледобываю­ щей отрасли (шахты, карьеры, разрезы). Рассмотрены также примеры использования разработанных методов и средств для очистки некоторых других типов промыш­ ленных сточных вод. В качестве экологически чистого метода был выбран метод с использованием фотоавтотрофных организмов ( водоросли, высшие растения), спо­ собных развиваться в водной среде при отсутствии органических веществ.

Целью исследований являлась разработка технологии и конструкции ап­ парата для очистки олиготрофных сточных и природных вод биологическим мето­ дом.

Исследования проводили с 1987 г. в Межотраслевом научно-исследо­ вательском институте экологии топливно-энергетического комплекса МНИИЭКОТЭК (бывший ВНИИОСуголь) и с 1990 г. на кафедре ботаники Пермского государ­ ственного педагогического университета.

Основу работы составляют экспериментальные исследования процессов очистки воды, проведенные как в лабораторных, так и в производственных услови­ ях. В ходе исследований получены следующие основные результаты:

-экспериментально установлены основные биологические и технологиче­ ские характеристики растительных биоценозов, самостоятельно развивающихся или специально формируемых в различных техногенных водных средах;

-найдены условия формирования микроводорослевых биоценозов в сточ­ ных водах угледобывающих предприятий. Изучено их влияние на процесс очистки воды от взвешенных веществ и бактерий;

-показана возможность культивирования различных видов высших растений

всточных водах некоторых промышленных предприятий (керамическое и гальвани­ ческое производства) с получением хорошего водоочищающего эффекта;

-установлено, что основным фактором, определяющим эффективность очи­ стки, является величина поверхности растительной массы, контактирующей с водой;

-определена эффективность удаления из воды некоторых микроэлементов (Си, 2п, Со, Сг, Сс1, Мп, 8г) корневыми системами, изучены устойчивость и меха­ низм этого процесса;

-показана возможность повышения эффективности очистки воды от микро­ элементов корнями растений путем использования предварительной электрокоагуляционной обработки воды;

-получены данные по содержанию микроэлементов в растениях, исполь­ зуемых в процессах очистки воды;

-проведены сравнительные исследования водоочищающей способности рас­ тительных и искусственных (синтетических) волокнистых систем. Установлены за­ висимости эффективности очистки от величины поверхности волокнистых систем, их геометрических параметров и скорости движения воды;

-определены светопроводящие свойства шахтных вод как среды для культи­ вирования фотоавтотрофных организмов;

-исследовано 175 видов высших растений из различных систематических групп с определением их сравнительной корнеобразуюшей способности и скорости развития корневых систем;

-выявлено и запатентовано 16 видов растений, развивающих в водной среде наибольшую абсолютную и удельную корневую поверхность и обладающих наи­ лучшим водоочищающим эффектом;

-сделан анализ частоты встречаемости эффективных видов в различных сис­ тематических группах высших растений;

-показана экологическая валентность хорошо и удовлетворительно адапти­ рованных к условиям водоочистки видов по влаголюбивости и температурному фак­ тору;

-проведены исследования и разработана технология дополнительного неза­ висимого питания высших растений, культивируемых на сточной воде с низкими питательными свойствами;

-обнаружено явление формирования в промышленном стоке гальванического производства развитой волокнистой структуры на основе грибов, установлены па­ раметры роста этой структуры и эффективность поглощения загрязнений;

-определено соотношение активных и пассивных процессов при снижении общей концентрации солей и фосфатов в воде в присутствии корневых систем;

-предложены варианты конструкции аппарата для биологической очистки олиготорофных вод.

Благодарность Автор признателен всем сотрудникам института ВНИИОСуголь (МНИИЭКО-

ТЭК) и кафедры ботаники ПГПУ, принимавшим участие в проведении исследова­

Е.М.Шкараба. Особую благодарность хочется выразить В.П.Шеховцову за выпол­ ненные на высоком профессиональном уровне микрофотографии водорослевых биоценозов. Большая помощь при проведении экспериментов в промышленных ус­ ловиях была оказана сотрудниками очистных сооружений шахтных вод шахты “Се­ верная” ПО “Воркутауголь”. Автор особенно признателен Н.В.Полякову, без участия которого многие производственные эксперименты были бы невозможны.

Несомненно, заслуживают благодарность руководители производственных объединений, сотрудники природоохранных служб и очистных сооружений всех предприятий, на которых проводились исследования, а также сотрудники научноисследовательских институтов и лабораторий, оказавших материальную и информа­ ционную помощь.

1. ПРОБЛЕМЫ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ ВОДЫ

1.1. Общая характеристика биологического метода

Интенсивные физико-химические методы очистки воды могут характеризо­ ваться очень высокой производительностью и эффективностью, но имеют сущест­ венный недостаток - не обладают экологической чистотой, что в первую очередь обусловлено применением химических реагентов.

Одним из путей достижения экологической чистоты и экологической безопас­ ности является использование биотехнологических процессов [70, 243, 328]. Техни­ ческие системы, которые на первый взгляд кажутся более удобными, более управ­ ляемыми и контролируемыми, в конечном итоге в длительном интервале времени всегда менее эффективны, поскольку в соответствии с законом возрастания энтро­ пии разрушаются и требуют замены на новые. Управляемые же естественные систе­ мы способны самовосстанавливаться, то есть противостоять процессу возрастания энтропии, а с учётом эволюционных процессов адаптации к условиям среды энтро­ пия живых систем даже снижается (антиэнтропийность). Технические же системы, не способные противостоять возрастанию энтропии, всегда заканчивают своё суще­ ствование превращением в отходы, загрязняя окружающую среду [232, с. 145]. Кроме того, используемые в промышленности мембранные, ионообменные и озонирующие технологии по сути дела заимствованы у живых организмов [366].

В разработке биотехнологических процессов наибольшее внимание уделяется микробиологическим процессам, поскольку микроорганизмы в совокупности пред­ ставляют собой универсальные химические преобразователи, обладающие к тому же очень высокой удельной скоростью химических превращений и высокой выносли­ востью по отношению к экстремальным условиям [187, 250, 405]. Особое внимание уделяется управляемым микробиологическим сообществам, которые более устойчи­ вы, надёжны, универсальны и экономичны по сравнению с использованием чистых стерильных культур [107, 257]. Суть управления сводится к нахождению путей и способов стимулирования и активации жизнедеятельности одних и ингибирования (подавления) других микроорганизмов [179].

Основная функция микроорганизмов в процессах очистки сточных вод состоит в деструкции органических веществ [75, 191, 194] и в способности существенно из­ менять химический состав воды [82, 89, 161, 198, 278]. Функциональные возможно­ сти микроорганизмов в целом настолько велики, что применяются даже для нейтра­ лизации весьма токсичных соединений, таких как фенолы [340] или цианиды [422]. Некоторые виды бактерий способны разлагать очень стойкие соединения, например, углеводороды, гумус, лигнин, гербициды [200, с.З]. На базе таких специально ото­ бранных штаммов микроорганизмов немецкой фирмой «Шос1е(ох» освоено произ­ водство сухих биопрепаратов для очистки воды от фенолов, нефтепродуктов, фор­ мальдегида [390]. Микроорганизмы используются и для нейтрализации вредных га­ зовых выбросов после их сорбции водой с последующей обработкой на биофильт­ рах.

Всё сказанное свидетельствует о необходимости использовать биологические технологии очистки воды совместно с физико-химическими методами и соотноше­ ние между ними должно определяться типом сточных вод и характером загрязнений. Одним из наиболее перспективных вариантов комплексного подхода является со­ вместное применение флотационных и биологических методов очистки сточных вод [306].

1.2. Биофлокуляция

Наиболее полезной и ценной особенностью биологической очистки шахтных вод, основной загрязняющий компонент которых составляют взвешенные вещества, является процесс биофлокуляции [58; 229; 248, с.263]. Суть процесса состоит в том, что многие организмы активного ила выделяют и формируют вокруг себя слизистые вещества, склеивающие клетки и тонкодисперсные минеральные частицы в крупные агрегаты - хлопья, которые затем могут быть быстро и легко отделены от воды про­ стым отстаиванием или фильтрованием. Слизи, образуемые микроорганизмами, представляют собой концентрированные растворы биополимеров, молекулы кото­ рых выполняют роль флокулянтов. В отличие от синтетических полимеров биофлокулянты как естественные продукты легко разлагаются в природных условиях, не создавая вторичного загрязнения, и обеспечивают экологическую чистоту. Совре­ менные сооружения биологической очистки проектируются таким образом, чтобы максимально использовался процесс биофлокуляции. Например, предусматривается стадия преаэрации с активным илом, которая позволяет повысить эффективность очистки в первичных отстойниках с 40-55 до 65-85 % [157, с.15-19]. Активный ил предлагается использовать в качестве флокулянта для сгущения суспензий и очистки стоков в различных отраслях промышленности [130, 158]. Специальные исследова­ ния показывают, что основная роль в хлопьеобразовании принадлежит псевдобакте­ риям и грибам [192, с.86], бактериям рода Рзийотопаз [395] и различным РгоГогоа (одноклеточные животные) [306]. Предлагаются физические и математические ме­ тоды определения флокулирующей способности различных активных илов [408]. Разрабатываются технологии получения из активного ила флокулянтов с выходом 30-40 % от сухой массы [3, 377], адсорбентов и других биоматериалов [87, с.67-68].

Адгезионная способность биополимеров в сочетании с устойчивостью микро­ организмов в экстремальных условиях может приводить в некоторых случаях и к на­ рушению некоторых технологических процессов. Как правило, это связано с биооб­ растанием и образованием пробок в гидрокоммуникациях. Отмечено, что в системах питьевого и технического водоснабжения пионерами обрастания являются бактерии

АгоЮЬааег зр., ЬеисопозШ тезеШепоШез, 2оо%1еа гатщега и др. [63,с.7]. В оборот­ ных системах водоснабжения предприятий анилино-красочной промышленности среди уже указанных аэробных гетеротрофов обнаруживаются также железобакте­ рии из рода СгепоШх [84]. Преобладание этих бактерий наблюдается в обрастаниях водозаборных сооружений [67, с.36-38].

Важнейшую роль в биообрастаниях играют первоначально образующиеся на чистых поверхностях плёнки из бактерий с особо высокой адгезионной способно­ стью, после чего рост слоя биообрастания резко ускоряется. Напротив, если какимлибо образом удаётся предотвратить первый этап образования биоплёнки, поверх­ ность долгое время остаётся чистой [64, 65]. Похожие явления, связанные с бактери­ альной адгезией, наблюдаются и при повреждении мембран в установках обратного

осмоса [385]. Имеются данные об образовании слизевых бактериальных пробок в песчаных нефтяных коллекторах при промывании их водой [335].

Изучение биоадгезионных, биофлокуляционных и биокоагуляционных про­ цессов позволило разработать методы очистки различных сточных вод от дисперс­ ных примесей с использование специально культивируемых микроорганизмов [2, 6],

втом числе и дрожжевых клеток [26].

Схимической точки зрения природные флокулирующие биополимеры могут

относиться к различным классам органических соединений, но большинство явля­ ются представителями экзоцеллюрярных или внеклеточных [281] полисахаридов, получивших название из-за способа образования и выделения. Особенностью этих полисахаридов является невозможность использования их самими производящими организмами в качестве источников углерода и энергии [197, с. 172]. Экзополисаха­ риды являются обычно анионными полимерами из-за преобладания в их структуре групп (-СОСГН*).

К классу полисахаридов относят и крахмалы высших растений, которые в от­ личие от экзополисахаридов одноклеточных представляют собой основную массу запасных питательных веществ и могут служить источником дешёвого сырья для производства биофлокулянтов. В США запатентованы способы производства биофлокулянтов на основе крахмала колоказии съедобной [215] и бататового крахмала [216].

Разрабатываются также различные способы получения флокулирующих поли­ сахаридов из различных видов микроорганизмов [99], число которых может быть весьма большим [105, 245], а свойства полимеров могут сильно варьировать в зави­ симости от вида организма и условий культивирования [323]. Установлено, что агре­ гирующими экзополисахаридами обладают два штамма 861 и К1а пресноводных бактерий [282]. Запатентованы способы получения полисахаридов и других полиме­ ров из бактерий родов ХапЮтопаз [118, 212, 213], Рзеийотопаз [120, 144, 148], из смеси Рзеийотопаз и А%гоЪас1епит [113], ВасШш [149], Сп/о1а [147], ОетаПит[145, 146], 2оо§1еа [111,128,131], СогупеЪа&епит [150], Ыосагйга [139], А1саИёепез [114] и других [115, 119]. Предложен способ получения полисахаридов с ис­ пользованием искусственных мутантов [21] и с применением методов генной инже­ нерии [325].

Анионный характер природных полисахаридов является причиной их более низкой флокулирующей способности по сравнению с синтетическими катионными флокулянтами. Этот недостаток компенсируется способностью полисахаридов дос­ таточно легко подвергаться химическим модификациям с резким изменением свойств в сторону увеличения флокулирующей активности. Полученный в результа­ те такой модификации катионный крахмал оказался очень эффективным при освет­ лении воды совместно с глинозёмом [327], что соответствует типичному для очист­ ки сточных вод варианту совместного использования флокулянта и коагулянта. Та­ кой же эффект получен при использовании полисахарида, продуцируемого бакте­ риями АигеоЪазШит риИЫапз РЕРМ-Р4257, для очистки водопроводной и различ­ ных типов сточной воды в присутствии сульфата алюминия. Достигалась 100%-ая эффективность очистки от взвешенных веществ, ХПК снижалось в зависимости от типа сточной воды на 40-86 % [333]. Гидролизованный пшеничный крахмал показал высокую эффективность при сгущении шламов в горнорудной промышленности, где эффект повышался также в присутствии солей металлов, особенно комплексных фосфатов А1 и Са [420]. Запатентованы способы повышения флокулирующей спо­ собности крахмалов путём обработки каустической содой [211], известью, квасцами и фосфорной кислотой [116, 217].