книги / Растения как средство очистки олиготрофных сточных и природных вод

Время, минуты

Рис.2.1. Кинетика безреагентного (а) и реагентного (б) оседания взвешенных веществ:

1-Райчихинская сортировка угля; шахты: 2 -"Карагайлинская”, 3 -"Капитальная”, 4 -"Зыряновская”, 5 -им.В.И.Ленина, 6 - им.Шевякова, 7 -"Абашевская", 8 -им.Димитрова, 9 -"Усинская”, 10 -"Новокузнецкая”, 11 -"Байдаевская", 12 -"Подмосковная”, 13 -"Ягуновская", 14 -"Северная”, 15 -им.Волкова,

16-"Бутовская”, 17-"Нагорная”, 18-"Мирная”, 19-"Наклонная”, 20 -разрез “Черногорский", 21-"Енисейская”, 22-"Абаканская”, 23 -"Хакасская”

случаев находится в пределах 15-25 мг/дм3 С увеличением продолжительности от­ стаивания оптимальные концентрации реагентов смещаются в область более низких значений, а при многосуточном отстаивании эффективность применения реагентной обработки обычно отсутствует, так как вода, не обработанная реагентом, имеет та­ кую же степень осветления. Исключением являются случаи, когда исходная вода содержит относительно высокие концентрации частиц размером менее 1 мкм (под­ верженных броуновской диффузии) при отсутствии условий для их коагуляции, на­ пример при низкой концентрации солей. В таких условиях дзета-потенциал частиц длительно сохраняется на постоянном уровне и препятствует их сближению и коа­ гуляции.

Таблица 2.1

Оптимальные концентрации реагентов при 30-минутном осветлении воды отстаиванием и индивидуальном применении реагентов

Исходное Предприятие содержание Концентрация реагента, мг/дм3

взвеси,

Зависимость коагулируемости частиц от солесодержания дисперсионной среды хорошо заметна при сравнении кинетики безреагентного осветления шламовых вод, характеризуемых различным солесодержанием. Так, например, шламовые воды обо­ гатительных фабрик шахтоуправления “Лермонтовское” и шахты “Долинская”, а также моечные воды Райчихинской сортировки угля ПО “Дальвостуголь”, имеющие низкую общую концентрацию солей ( прилож.1), осветляются наиболее медленно. В то же время, вода шахты “Капитальная”, обладающая наиболее высоким солесо­ держанием, характеризуется самой высокой скоростью безреагентного осветления.

2.2. Биологическая флокуляция взвешенных веществ

Основанием для постановки экспериментов явились опубликованные данные по ускорению осветления хвостов флотации руд на одной из обогатительных фабрик США путём добавления биомассы специально выращенных водорослей [214]. В данных исследованиях проводили опыты по осветлению шахтных вод при добавле­ нии биомассы чистых культур водорослей, биомассы микроводорослевых ценозов, полученных в лабораторных условиях, и микроводорослей, отобранных из окру­ жающей среды. В качестве сравнительных проводили эксперименты по осветлению воды с применением биофлокулянта альгината натрия (ТУ-15-02306-78) производ­ ственного объединения “Архангельскрыбпром” и синтетического флокулянта “сан- флок-509” японского производства.

Использовали чистые культуры коллекции Кировского сельскохозяйственного института (СЫоге11а уи1§апз Веуег.95) и коллекции микроводорослей лаборатории микробиологии Биологического института Ленинградского госуниверситета [172]:

Сине-зелёные водоросли: РксХопета Ъогуапит Сот. САШ 465, ИозХок тизсогит (А%.) Е1епк. САШ 542, АпаЪаепа уапаЬШз КиХз.САШ 577, ТоИроХггх Хепшз КШз.САШ 652.

Зелёные водоросли: МезоШетит саЫапогит Нат%.САШ 10, СЫогососсит китгсоЫт (Ыа%.) КаЪепкСАШ 78, ОгсХуозркаегит ри1ске11ит уаг. оуаХит когзскСАШ 154.

Красные водоросли: РогркупсИит егиепХит (А§.) Ыае&зХг. Угскег.САШ 39.

Водоросли культивировали по общепринятой методике [399] в режиме нако­ пительной культуры на средах, рекомендуемых поставщиком культур (ЛГУ). Куль­ тивирование прекращали при достижении стационарной фазы (10-28 суток). Гото­ вую суспензию водорослей концентрировали центрифугированием при 6000 об/мин, высушивали в стеклянных бюксах при 40°С, помещали в бумажный пакет и хранили до использования.

Лабораторные микроводорослевые биоценозы выращивали в лотке из органи­ ческого стекла с плоским дном (0,3х1м) на отстоянной водопроводной воде (табл.2.2) в двух режимах: при периодической подаче воды и при непрерывном по­ токе.

При периодическом режиме вода, стекающая из лотка, собиралась в специаль­ ную ёмкость, откуда аэролифтом закачивалась в автоматическое дозирующее уст­ ройство, осуществляющее каждые 6 мин выплёскивание 1,2 дм3 воды в лоток. Поте­ ри от испарения компенсировали постоянной автоматической подпиткой.

При непрерывном режиме вода с расходом 6-8 дм3/сут. постоянно текла по лотку слоем 5-10 мм без циркуляции. Равномерное смачивание поверхности в этом варианте обеспечивалось покачиванием лотка относительно продольной оси специ­ альным устройством. В обоих режимах освещение осуществляли круглосуточно люминесцентным светом 2000 лк со стороны дна лотка.

Первоначальный засев производили путём заливки в лоток почвенной суспен­ зии с концентрации сухой растёртой огородной почвы 1 г/дм3, которая обычно бога­ та диаспорами микроорганизмов, в том числе и спорами различных микро­ водорослей [203, с.476]. Для экспериментов по осветлению воды использовали био­ массу, собранную соскабливанием с лотка после 70-75 суток культивирования.

Микроскопический анализ проб биоценозов показал, что видовой состав при различных режимах культивирования мало отличается и в основном представлен водорослями родов, перечисленных в порядке убывания концентрации биомассы: осцилатория, лингбия, вольвокс, хлорокок, хлорелла, микроцистис, навикула. При­

сутствовало большое количество бактерий, немногочисленные простейшие и коло­ вратки.

Таблица 2.2

Состав водопроводной воды*

*- по данным химико-аналитической лаборатории ВНИИОСуголь

Вкачестве объектов осветления использовали натуральную шахтную воду шахты “Северная” ПО ”Воркутауголь”(табл.2.3) и суспензию угольной пыли в водо­ проводной воде (суспензия № 3, прилож.1).

Взвешенные вещества шахтной воды были представлены тонкодисперсными частицами каменного угля и вмещающих пород. По данным микроскопического анализа более 90 % общей массы частиц имели размеры в пределах 1-10 мкм при

среднем значении 2 мкм. Средняя зольность твёрдой фазы находилась в пределах 40-50 %.

Исходную воду разливали в пробирки по 10 см3 в каждую, обрабатывали раз­ личными дозами сухих водорослей, предварительно замоченных в течение 10-15 мин в небольшом количестве (0,5-1 см3) воды и растёртых до однородной суспен­ зии. Смесь водорослей с водой перемешивали интенсивным десятикратным встря­ хиванием, после которого пробирки отстаивали в штативе в течение 30 мин с изме­ рением через заданные промежутки времени концентрации взвешенных веществ фотоэлектрическим мутномером М101. Чистые флокулянты дозировали в виде кон­ центрированных растворов. Контрольным являлся опыт с отстаиванием мутной во­ ды без добавок.

Помимо биомассы чистых культур и лабораторных микроводорослевых био­ ценозов в экспериментах использовали биомассу перифитона, развившуюся естест­ венным путём и собранную со стенок резервуара с дождевой водой. Доминирую­ щим компонентом перифитона являлись диатомовые водоросли рода АмепопеИа.

Эксперименты по осветлению шахтной воды проводили с использованием чистых культур, из которых положительное влияние оказала только культура толипотрикса (рис.2.2). Остальные виды либо не улучшали, либо ухудшали степень ос­ ветления. В опытах с толипотриксом степень осветления возрастала с увеличением дозы биомассы и в каждом случае увеличивалась дополнительно, если осевшую мас­ су осторожно взмучивали и осуществляли повторное осаждение ( на рис.2.2, показа­ но для дозы 1600 мг/дм3).

Искусственную суспензию осветляли как при обработке биомассой толипотрикса, так и биомассой описанных микроводорослевых биоценозов. По сравнению с контрольными опытами безреагентного отстаивания (рис.2.3, кривая 1) вода, обра­ ботанная биомассой, осветлялась заметно быстрее (рис.2.3, кривые 2-5) и примерно одинаково, независимо от видового состава биомассы.

Отсутствие зависимости эффекта осветления от природы адгезионной поверх­ ности можно объяснить как преобладанием физических механизмов адсорбции над химическими, так и относительно низкой долей флокулирующих веществ при пре­ обладающем количестве неактивного балласта в биомассе. Последнее объяснение выглядит более реальным в свете данных из [289], о том, что представители различ­ ных таксономических групп микроводорослей могут значительно отличаться друг от друга по количеству флокулирующих полимеров, связанных с наружными слоями клеточных стенок. При использовании альгината натрия осветление было более эффективным при значительно более низких концентрациях (рис.2.3, кривые 6-8). Однако дозы биофлокулянта (альгината) при достаточно хорошей эффективности всё же значительно превосходят оптимальную для данных условий дозу синтетиче­ ского флокулянта, которая равнялась 0,8 мг/дм3(рис.2.3, кривая 9).

Из полученных результатов следовало, что использование биологических спо­ собов осветления мутных вод в принципе возможно, однако требует дальнейшего исследования, поскольку использование биомассы значительно менее эффективно, чем применение синтетических флокулянтов, а биологический флокулянт для обес­ печения достаточно хорошей эффективности требует использования относительно высоких доз.

2.3. Влияние микроводорослей естественных биоценозов на осветление шахтных вод

Исследование проводили с использованием шахтной воды шахты “Северная” ПО “Воркутауголь” (табл.2.3).

Пробу микроводорослей, отобранную из природной среды, помещали в хими­ ческий стакан. После естественного уплотнения избыток воды сливали. Оставшуюся концентрированную суспензию микроводорослей перемешивали с одновременным отбором заданного объёма для определения сухой биомассы путём высушивания на воздухе и последующего взвешивания.

Исходную шахтную воду, отобранную из шахтного водоотлива, разливали в несколько пробирок по 10 см3 в каждую. В первую пробирку заливали шахтную во­ ду в объёме 20-х см3, где х - объём вносимой суспензии водорослей, обычно состав­ лявший 1-2 см3 и соответствующий максимальной в данном опыте дозе биомассы от 4 до 17 г сухого вещества на 1 дм3 Содержимое пробирки интенсивно десятикратно встряхивали, после чего 10 см3 смеси переносили во вторую пробирку с 10 см3 шахтной воды, из которой после интенсивного перемешивания 10 см3 смеси пере­ носили в третью и т.д. Таким образом, в каждую последующую пробирку вносили биомассу с концентрацией в 2 раза более низкой, чем предыдущая. В случае ис­ пользования предварительно высушенной биомассы в первую пробирку вносили заданную максимальную навеску. После перемешивания в каждой пробирке через заданные промежутки времени измеряли концентрацию взвешенных веществ мутномеромМЮ!.

Содерж ание взвеси ) м г/дм

Рис.2.3. Осветление искусственной суспензии без обработки (1) и с обработкой различными добавками (2-9) в мг/дм3:

перифитон резервуара с дождевой водой 200(2), культура толипотрикса 200(3), лабораторный биоценоз периодического (4) и непрерывного (5) орошения 1600, альгинат 16(6), 64(7) и 256(8), “санфлок-509” 0,8 (9)

После проведения экспериментов по результатам измерений произвели с ис­ пользованием ЭВМ оценку статистических параметров: среднего значения, средне­ квадратичного отклонения, дисперсии, коэффициента изменчивости, доверительно­ го интервала, асимметрии выборки измеренных значений и эксцесса нормального закона распределения. Анализ статистической обработки показал, что для уровня значимости 0,90 (вероятность ошибки не более 10 %) средняя погрешность для раз­ личных измерений одной и той же величины в одном опыте не превышала 5 %, а в разных опытах -10 %.

Были испытаны три пробы суспензий микроводорослей:

1 - нитчатые водоросли со дна непроточного водоёма в пойме р. Воркуты, в створе очистных сооружений шахты “Северная”, представленные в основном родом 8руго§1га с примесью нескольких родов диатомовых фгаХота, ТаЪе11апа, РгпиШпа, МеЬггга и др.);

2 - нитчатые со дна прибрежной части р. Воркуты с соотношением таксономи­ ческих групп примерно таким же, как и в пробе 1;

3 - соскоб с поверхности камней со дна реки в створе посёлка Аяч-Яга, основ­ ная масса представлена диатомовыми водорослями указанных выше родов.

Суспензии испытывали в различных модификациях: сырая интактная, высу­ шенная не растёртая, сырая гомогенизированная, сухая растёртая, кипячёная в тече­ ние 1 ч. Гомогенизацию осуществляли интенсивным истиранием сырой суспензии в фарфоровой чашке в течение 15 мин. Сухие водоросли растирали до величины час­ тиц не более 0,5 мм.

Добавка биомассы из проб водорослей 1 и 2 к шахтной воде в дозах от 0,8 до 17 г/дм3 практически не оказывала положительного влияния на скорость оседания взвешенных веществ независимо от способа предварительной подготовки добавляе­ мых водорослей. Положительный результат, выразившийся в некотором повышении скорости оседания, получен при использовании пробы водорослей 3, применённой в модификациях: сырая интактная, кипячёная, сухая слабо растёртая. Гомогенезированные и сухие растёртые до размеров менее 0,5 мм водоросли либо не давали по­ ложительного эффекта, либо ухудшали результаты.

Полученный незначительный положительный эффект (рис.2.4) не может иметь существенного практического значения. Кроме того, необходимые дозы сухого вещества 4-10 г/дм3 (рис.2.5) являются слишком высокими. Положительный эффект существенно улучшался после взмучивания осевшей взвеси при её повтор­ ном осаждении (рис.2.4, кривая 4;). Это свидетельствует о важном значении про­ должительности предварительного контакта со взвешенными веществами шахтной воды. На основании этого можно также предположить, что положительный эффект обусловлен медленными адгезионными процессами без существенного выделения в жидкую фазу биополимеров, которые могли бы оказать быстрое флокулирующее действие.

С учётом полученных данных был осуществлён эксперимент по определению эффективности осветления шахтной воды при орошении ею естественного слоя биологического обрастания. Схема эксперимента представлена на рис.2.6,а. Из мел­ ководного участка р. Воркуты был извлечён камень, покрытый естественным биооб­ растанием того же состава, что и суспензия водорослей 3. Камень разместили в кри­ сталлизаторе. Исходную шахтную воду заливали в воронку, из которой подавали на биослой. Стекающую по биослою воду собирали в промежуточную ёмкость, из ко­ торой периодически переносили в воронку. Кран воронки служил для поддержания постоянного расхода воды 20 см3/мин. Площадь орошаемого слоя составляла «150 см2, при толщине 1-2 мм. Контрольным опытом являлась циркуляция по такой же схеме с удалённым биослоем и тщательно отмытой поверхностью камня.

Рис.2.4. Влияние суспензии микроводорослей на осветление шахтной воды: без добавки микроводорослей (1,3); с добавкой сухих растёртых водорослей 1 г/дм3 (2); с добавкой сырых не растёртых водорослей 8 г/дм3 по сухомму веществу (4); повторное осаждение (3;, 41)