Кузнецов А.Е., Градова Н.Б., Лушников С.В. и др. Прикладная экобиотехнология. Учебное пособие. В 2-х томах

Таблица 5.1.

Методы очистки загрязненных вод и почв с использованием высших растений и водорослей

5.3.Биопруды и гидроботанические площадки

5.3.1. Биопруды

Биологические пруды, называемые также лагунами – это специально созданные неглубокие водоемы, где протекают естественные процессы самоочищения воды с участием населяющих их организмов. Пруды могут использоваться как самостоятельные системы очистки, так и для доочистки сточных вод после удаления основной массы загрязнений. Они широко применяются для очистки бытовых стоков, поступающих чаще всего в неразбавленном виде, и доочистки сточных вод предприятий пищевой и перерабатывающей, целлюлозно-бумажной

идругих отраслей промышленности, животноводческих ферм, очистки поверхностных (ливневых, талых) вод, дренажных сельскохозяйственных вод в условиях поливного земледелия. Очищенная вода может использоваться в системе оборотного водоснабжения предприятий, что сокращает их общее водопотребление.

Биопруды подразделяются на анаэробные, аэробно-анаэробные (факультативно аэробные) и аэробные, а также высоко- и низконагружаемые, проточные

иконтактные. Аэробные (окислительные) пруды могут быть с естественной к искусственной аэрацией. Также могут использоваться одиночные пруды и каскад прудов.

Анаэробные условия наблюдаются в присутствии избытка органических

веществ и недостатка кислорода: в прудах при нагрузках по БПК порядка 300 – 600 кг/(га сут), в придонных слоях воды в прудах глубиной 2,5 м и более даже при насыщении воды кислородом в поверхностных слоях, в контактных (непроточных) прудах в первые фазы очистки после заполнения пруда сточной водой, а также при весеннем вскрытии биологических прудов при интенсивном разложении накопившихся за зиму органических соединений. В каскаде проточных прудов головной пруд, принимающий на себя основную массу загрязнений, может быть анаэробным.

Протекающие в анаэробных прудах процессы нитратредукции, сульфатредукции, метанового брожения, восстановления окисленных форм металлов

идругих веществ приводят к разложению органических веществ, осаждению сульфидов тяжелых металлов. Эксплуатация подобных прудов обычно предусматривает возможность отделения активного ила от очищенной сточной воды (в отстойниках, эмшерах). Анаэробная очистка в прудах позволяет удалить 80–90% ХПК при 25 °С (50% – при 10 °С) при времени пребывании воды в сооружении 40–50 сут, однако содержание загрязнений в воде после анаэробной очистки остается все еще высоким, поэтому требуется ее дальнейшая очистка в каскаде проточных аэробных прудов или, если принят контактный метод, в том же пруду, но в аэробных условиях.

ВРоссии анаэробные пруды практически не используются в силу невысоких среднегодовых температур и образования большого количества дурнопахнущих веществ при функционировании таких прудов.

Аэробно-анаэробные пруды имеют глубину 1,5–2 м и аэрируются за счет естественных процессов. В поверхностных слоях воды присутствует раство-

ренный кислород, поступающий из атмосферы или образующийся в результате фотосинтеза. Поступление кислорода за счет атмосферной аэрации весьма ограничено и не превышает нескольких г О2 на 1 м2 в сутки. Днем фотосинтез обогащает воду кислородом, а ночью кислород потребляется в процессе дыхания животными и растениями, при этом в воде может наблюдаться дефицит кислорода. В придонных слоях при полном отсутствии кислорода могут протекать анаэробные процессы, сульфатредукция, метановое брожение. В таких прудах большое значение приобретают осаждение взвешенных веществ и образование ила на дне.

Взависимости от климатических условий, от содержания загрязнений

всточной воде и от требований к качеству очищенной воды нагрузка в аэроб- но-анаэробных прудах колеблется в пределах 10–300 кг БПК/(га сут).

Ваэробных прудах с естественной аэрацией насыщение воды кислородом происходит вследствие атмосферной аэрации и фотосинтеза. Такие пруды имеют небольшую глубину (0,3–1 м), хорошо освещаются и прогреваются солнечными лучами, что приводит к интенсивному развитию планктонных водорослей и донных высших растений. Очищаемая вода передвигается в них с очень малыми скоростями. Время пребывания воды в этих прудах колеблется от 7 до 60 сут. Если биологические пруды являются самостоятельным очистным сооружением, сточные воды, пройдя отстойники, разбавляются до поступления в

пруды 3–5 объемами технической воды. Нагрузка на них: для отстойных сточных вод без разбавления – до 250 м3/(га сут), для биологически очищенных – до 500 м3/(га сут).

Достоинства прудов с естественной аэрацией – простота устройства и обслуживания, минимальные эксплуатационные затраты. Однако скорости изъятия и биологического окисления органических загрязнений в таких прудах невысокие, для очистки требуются большие площади.

Пруды с искусственной аэрацией из-за интенсификации в них биохимических процессов занимают в 10–15 раз меньшую площадь, имеют значительно меньший объем и глубину до 4–6 м. Требуемая степень очистки воды в них

обычно достигается за 1–3 сут. Скорость движения воды в таких прудах превышает 0,1 м/с, окислительная мощность 5–20 г БПК/(м3 ч), достигаемая нагрузка – 1000 кг БПК/(га сут) и выше. Расход сточной воды может достигать 10–25 тыс. м3/ч. Пруды крупных промышленных предприятий представляют собой сооружения объемом до 1 млн м3, снабженные большим числом аэраторов. Для аэрации воды используются устройства механического (перемешивание), пневматического (нагнетание воздуха) или пневмомеханического типа. Тип аэраторов, их необходимое число и объем зоны, обслуживаемой каждым из аэраторов, выбираются исходя из условий поддержания во взвешенном состоянии активного ила, количества и содержания кислорода, которое требуется для окисления загрязнений и поддержания аэробных условий, минимизации объема застойных зон.

Конфигурация прудов часто определяется топографическими особенностями местности. Обычно аэрируемые пруды представляют собой земляные двух-, трехсекционные бассейны с отношением длины к ширине пруда не менее 20,

срассредоточенной подачей и отводом сточной воды либо иловой смеси и последующим их отстаиванием в течение 2–2,5 ч. При меньших отношениях длины к ширине расположение впускных и выпускных устройств устраивают таким образом, чтобы обеспечить движение воды по всему живому сечению пруда. В прудах с искусственной аэрацией объем застойных зон не превышает 10%, причем чем сильнее изрезан берег – тем больше объем застойных зон.

По сравнению с прудами с естественной аэрацией в биопрудах с искусственной аэрацией водоросли развиваются менее активно. Это снижает объем вторичной биомассы и загрязнение воды продуктами метаболизма водорослей. Однако строительство и эксплуатация искусственно аэрируемых прудов обходятся дороже, увеличиваются и эксплуатационные затраты.

Вроссийской практике аэрируемые пруды наиболее широко применяются в целлюлозно-бумажной, пищевой и ряде других отраслей промышленности.

Интенсивность процессов и глубину доочистки сточных вод в аэрируемых биологических прудах можно существенно повысить, рециркулируя активный ил, отделенный от очищенной воды во вторичных отстойниках (или других сооружениях для илоотделения). В таком режиме работают высоконагружаемые аэробные пруды. Пруды с рециркуляцией ила могут применяться как самостоятельные очистные сооружения либо в качестве одной из ступеней очистки. Низконагружаемые пруды обычно применяют для доочистки сточных вод после аэротенков с БПК 25–50 мг/л. В этом случае они работают на иле, выносимом из вторичных отстойников, а также на микрофлоре, развивающейся в самом пруде. Чтобы избежать заиливания днища, скорость воды в таких прудах должна быть выше 0,007 м/с.

Вконтактных биопрудах с искусственной аэрацией очистка проводится в два этапа – аэрация и осаждение. В период аэрации сточные воды подаются в пруд, но не удаляются из него. При прекращении аэрации ил оседает и осветленная вода отводится из пруда. Чередование аэрации и осаждения осуществляется в режиме автоматического управления.

Вконтактных биопрудах с естественной аэрацией отстоенная сточная вода при необходимости разбавляется 3–5 объемами чистой воды и выпускается в мелкие непроточные пруды. Через 20–30 сут вода спускается и пруд вновь заполняется разбавленной сточной водой. Качество очистки в таких непроточных прудах выше, чем в проточных.

Вкаскадных прудах, устанавливаемых обычно на местности, имеющей уклон, неразбавленная сточная вода проходит последовательно через 4–6-сту- пенчатый каскад прудов с аэробным прудом на первой ступени, водорослевыми, рачковыми, рыбоводными прудами. Разведение рыбы в таких прудах бывает возможно после прохождения 3–4 ступеней.

Целесообразность применения биологических прудов определяется концентрацией загрязнений и расходом сточных вод, а также конкретными климатическими, почвенными и топографическими условиями, уровнем минерализации воды. Под биопруды необходимо отводить достаточно большие земельные площади, поэтому часто их создают в поймах, на мелководьях и на участках рек

смалыми уклонами. В таких случаях при обильном развитии в них воздушно-

водной и погруженной растительности их эксплуатируют фактически, как гидроботанические площадки или биоплато (см. ниже).

Для нормальной работы биопрудов необходимо соблюдать оптимальные значения pH и температуры сточных вод. Температура должна быть не ниже 6 °С. Поскольку режим работы биопрудов зависит от температуры и уровня освещенности, это создает определенные трудности для стабилизации очистки.

При использовании биопрудов как самостоятельных систем очистки загрязнение сточных вод не должно превышать БПКп 200 мг/л для прудов с естественной аэрацией и свыше 500 мг/л для прудов с искусственной аэрацией. При БПКп выше 500 мг/л необходима предварительная очистка сточных вод. В пруды для доочистки направляют сточную воду после биологической или физико-химиче- ской очистки с БПКп <25 мг/л для прудов с естественной аэрацией и <50 мг/л для прудов с принудительной аэрацией. Обеззараживают воду, как правило, после прудов. В отдельных случаях допускается обеззараживание перед прудами. При использовании хлорирования концентрация остаточного хлора в воде после контакта не должна превышать 0,25– 0,5 мг/л.

Биопруды часто используются для удаления избытка азота и фосфора из сточных вод. Однако иногда процессы самоочищения, протекающие в биопрудах, особенно в начальный период их эксплуатации, лимитируются биогенными элементами, недостаточным количеством микроорганизмов, участвующих в удалении загрязнений. В биопрудах со сбалансированным соотношением потока углерода и содержания биогенных элементов концентрация иона NH4+ составляет не более 0,2 мг/л, NO3– < 0,3 мг/л, фосфора – 0,01–0,05 мг/л. При недостатке азота и/или фосфора их нужно внести в биопруд. Для этой цели, например, можно 1–2 раза

вгод вносить богатую гумусом почву из расчета 1 м3 на 1000 м3 объема пруда.

Входе эксплуатации биологических прудов необходим тщательный контроль за состоянием грунтовых вод (их водностью, поступлением в грунтовые воды загрязняющих веществ и динамикой их распространения). Если используют искусственный биопруд, то для уменьшения фильтрационного потока воды

втолщу грунтов ложе биопруда при его создании выкладывают глиной, другими водонепроницаемыми материалами или создают условия, способствующие в дальнейшем формированию такого водонепроницаемого слоя (например, при развитии анаэробных микробиологических процессов, заиливания и оглеения придонного слоя).

Врезультате фотосинтеза в прудах образуется первичная продукция, поэтому прирост биомассы в биологических прудах зачастую превышает количество

содержащихся в сточных водах органических веществ, достигая 100–200 кг/ (га сут) и более, пруд зарастает водорослями и растениями, возникают проблемы вторичного загрязнения воды остатками и продуктами их метаболизма, разложение которых вызывает дополнительное потребление кислорода и нежелательное увеличение биогенных элементов в водоеме. Более трудноокисляемые соединения опускаются на дно и способствуют заилению водоемов. При чрезмерном развитии водорослей и растений не только ухудшается качество воды, но на поверхности пруда образуются плавучие ковры из отмерших частей, загрязняется берег. Чтобы избежать этих проблем, из пруда необходимо периодически

нических веществ, тяжелых металлов, взвесей) из бытовых, промышленных, ливневых сточных вод, стоков сельского хозяйства, горных разработок, дренажных грунтовых вод в районах свалок, полигонов отходов, площадок депонирования осадков, вдоль автодорог. Гидроботанические площадки и искусственные болота, как правило, создаются на водосборах на пути недостаточно очищенных сточных вод. Биоплато – на водохранилищах и каналах. Вследствие обширности занимаемой территории, небольшой толщины наземного водного слоя в этих системах создаются условия для достаточно хорошего обмена верхнего слоя загрязненной воды с атмосферой, его аэрации. В глубинных слоях могут протекать аноксигенные и анаэробные процессы трансформации загрязнений. Невысокая скорость течения воды и длительное время удержания загрязненных вод способствуют осаждению взвесей, а высокое содержание органического вещества в почве площадок – сорбции и связыванию загрязнений. Такие системы могут служить и средой обитания многих представителей дикой фауны.

Выделяют три типа гидроботанических площадок: природные, искусственные с распределением загрязненной воды по поверхности площадки, искусственные с распределением воды в подповерхностной зоне площадки.

Природные площадки могут включать постоянно обводненные облесненные участки или болота. Чаще всего они не требуют ухода, вода очищается сама, площадка функционирует без вмешательства человека. Необходимо лишь скосить траву в конце вегетации, обнести земляным валом берега и частично очистить ложе от ила.

При создании искусственных гидроботанических площадок могут использоваться свободно плавающие, подводные и надводные растения (рис. 5.2). Искусственные площадки с распределением загрязненной воды по поверхности – неглубокие искусственные обводненные участки, сооружаемые с небольшим уклоном в низовых участках с системой распределения и контроля уровня воды. Системы с распределением воды в подповерхностной зоне включают неглубокие площадки, заполненные хорошо дренируемым материалом, например гравием, на которых высаживают болотные растения. Вода в таких системах течет под поверхностью через корневую систему растений.

Территория площадки зависит от ее конструкции, объема и уровня загрязненности сточных вод, требований к очистке, допустимой гидравлической нагрузки, стоимости участков земли и других местных условий. Примеры конструкций гидроботанических площадок приведены на рис. 5.3, 5.4.

В конструкции площадки, представленной на рис. 5.4, предусмотрено создание двух горизонтов: верхнего – аэробного – для закрепления растений и развития сопутствующей аэробной микрофлоры и нижнего – анаэробного – для заселения сообществом анаэробных микроорганизмов. Нижний горизонт – это слой любого химически инертного материала (гальки, щебня, битого стекла), уложенный на водоупорный слой или специально подготовленную подложку, поверх которого насыпается песок и формируется верхний слой, т. е. укладывается грунт с корневищами растений. В анаэробном слое органические вещества разлагаются с образованием CO2, CH4, NH3. Газы, поднимающиеся из нижнего

Рис. 5.2. Варианты очистки загрязненных сточных вод на гидроботанических площадках

слоя, перемешивают воду между слоями, при этом на дно оседают мелкие частицы. Оставшиеся загрязнения окисляются в верхнем аэробном слое до CO2 и H2O. На гидроботанической площадке такого типа очистка воды может идти круглый год за счет деятельности бактерий, а не только в период вегетации растений.

Максимальная эффективность работы созданной площадки достигается не сразу, так как площадка довольно медленно «созревает» (в течение нескольких сезонов): развивается разветвленная корневая система растений, расселяется микрофлора в верхнем и нижнем горизонтах, идут весьма сложные процессы саморегулирования биоты.