книги / Растения как средство очистки олиготрофных сточных и природных вод

43

В опытном и контрольном вариантах каждые 5 мин отбирали пробы воды в количестве 5 см3 и измеряли концентрацию взвешенных веществ фотоэлектриче­ ским методом.

Результаты измерений (рис.2.6, б) показали, что в циркулирующей через био­ слой воде снижение содержания взвеси происходит существенно быстрее, чем при отстаивании в покое или при орошении камня без биослоя. При исходном содержа­ нии 720 иг/дм3 после 30-минутной циркуляции концентрация взвеси в опытном ва­ рианте составляла 150, в контрольном - 550 мг/дм3.

Априорно можно выдвинуть предположение о возможности существования 4 механизмов захвата твёрдой фазы биослоем:

-адгезия высокоразвитой поверхностью биослоя;

-фильтрование воды через переплетения нитчатых микроводорослей;

-эффект отстаивания в тонком слое (аналог процесса в наклонных или полочных отстойниках при значительно меньшей толщине осветляемого слоя);

-биофлокуляция внеклеточными продуктами биосинтеза (экзополимерами).

Роль биофлокуляции, по всей вероятности, не высока, о чём свидетельствуют результаты предыдущей серии экспериментов. Соотношение между остальными составляющими может быть выяснено только в результате специальных исследова­ ний.

Полученные данные свидетельствуют о том, что микроводоросли естествен­ ных биоценозов обладают способностью эффективно задерживать тонкодисперсные взвешенные частицы шахтных вод. Этот эффект может быть использован как для совершенствования самоочищающей способности водоёмов - приёмников шахтных вод, так и для разработки биотехнологических систем очистки шахтных вод.

2.4. Выращивание микроводорослевого биоценоза в лабораторных условиях и его использование для очистки воды

Для получения искусственного микробиоценоза в лабораторных условиях ис­ пользовали непроточный аппарат (рис.2.7) в виде стеклянной колонки 1, внутри ко­ торой размещался цилиндр 2 меньшего диаметра с проходящей внутри цилиндра винипластовой трубкой 3 для подачи воздуха. Воздушные пузырьки 4, поднимаясь вверх, создают внутри цилиндра восходящий поток жидкости, который в верхней части аппарата переходит в нисходящий между стенками колонки и цилиндром. Воздух подавали микрокомпрессором с расходом 100 см3/мин. Скорость нисходя­ щего потока находилась в пределах 3-5 см/с. В промежутке между стенками колонки и цилиндром размещали спираль из капроновой лески толщиной 0,9 мм и длиной 7 м, выполнявшую функцию носителя микробиоценоза. В аппарат заливали периоди­ чески заменяемую суспензию угольной пыли в водопроводной воде. В первую пор­ цию залитой суспензии в качестве посевного материала внесли « 1 г сухой растёр­ той огородной почвы. Аппарат круглосуточно аэрировали и освещали люминес­ центными лампами ЛБ-40-1 с интенсивностью освещения 5-7 тыс. лк. Уменьшение объёма воды в результате испарения компенсировали периодической добавкой от­ стоянной водопроводной воды. Раз в два месяца воду из аппарата осторожно слива­ ли без выноса сформировавшегося и осевшего на стенках и носителе (леске) микро­ биоценоза с адсорбированными взвешенными веществами (рис.2.8), после чего ап­ парата заполняли свежей порцией суспензии.

Рис.2.7. Схема аппарата для выращивания микроводорослевого биоценоза:

1 - наружный цилиндр, 2 - внутренний цилиндр, 3- трубка из нержавеющей стали для подачи воздуха, 4 - пузырьки воздуха, 5 - леска с микробиоценозом

Микроскопический анализ образцов суспензии, отобранных из аппарата, пока­ зал, что при описанных условиях формируется биоценоз, основу которого составля­ ют микроводоросли. Первоначально доминирующими группами являлись однокле­ точные зелёные протококковые и несколько в меньшем количестве одноклеточные и колониальные сине-зелёные водоросли (цианобактерии). В виде редких примесей встречались представители диатомовых, жёлто-зелёных, нитчатых сине-зелёных и зелёных водорослей. Через 1,5-2 месяца в результате сукцессии при постепенном увеличении общей биомассы начали преобладать сине-зелёные, в том числе и нитчатые. Через 3-4 месяца подавляющая часть (не менее 90 %) биомассы была представлена сине-зелёной водорослью рода РкогтШтт класса Ногто§оторкусеае (рис.2.9, 2.10, прилож.2). При дальнейшем культивировании существенных сукцессионных изменений биоценоза не наблюдалось.

После 5 месяцев культивирования была проведена серия экспериментов, кото­ рая состояла в ежедневной замене слитой осветлённой воды на свежеприготовлен­ ную угольную суспензию с концентрацией твёрдой фазы 1000 ±100 мг/дм3 После заливки каждой порции свежей суспензии в течение нескольких часов периодически измеряли концентрацию взвешенных веществ мутномером М101.

Измерения показали (рис.2.11), что концентрация падает значительно более быстро по сравнению с контрольными опытами безреагентного отстаивания в ци­ линдрах вместимостью 250 см3. Концентрация взвеси в аппарате с водорослевым биоценозом через 1 ч в 12 опытах составила в среднем 50-60 мг/дм3, в контрольных опытах - около 300 мг/дм3 Данные получены по результатам статистической обра­ ботки около 100 замеров как для исследуемого, так и для контрольного вариантов. В 6 опытах был осуществлён дополнительный контрольный вариант, состоящий в ос­ ветлении суспензии в аппарате с циркуляцией при наличии носителя, но без микро­ биоценоза. Результаты показаны в виде кривой 3, построенной по средним данным 50 измерений.

Опыты с ежедневной заливкой свежей суспензии были прекращены после про­ ведения 14-го опыта, в котором произошло сравнительно резкое ухудшение эффек­ тивности поглощения и наблюдалась неустойчивость процесса снижения концен­ трации взвеси. Биомасса с поглощёнными взвешенными веществами была собрана в нижней части аппарата путём встряхивания носителя, отведена через пробоотбор­ ник и проанализирована на содержание сухого вещества весовым методом. Изме­ ренная концентрация сухого вещества в аппарате составила 13,25 г/дм3 Расчётное количество взвеси, определённое по количеству заливок и исходной концентрации взвеси, составило 15,00 г/дм3 Учитывая, что часть биомассы с поглощённой взвесью (несколько процентов) осталась в аппарате из-за невозможности полного её сбора, а также потери около 5 % взвеси при сливах осветлённой в экспериментах воды, рас­ чётную и фактическую величины можно считать соответствующими друг другу. Из этого следует, что суммарная масса сухого вещества в основном определяется мас­ сой взвешенных веществ, а доля биомассы водорослей несущественна.

Визуальные наблюдения за состоянием биоценоза в аппарате и микроскопиче­ ские анализы агрегатов из водорослей и взвеси показали, что объём сырой биомас­ сы водорослей ориентировочно не превышает 10 % от взвешенных частиц. Это по­ зволяет оценить долю сухой биомассы в размере не более 1 %, что составляет вели­ чину порядка 100 мг/дм3

Возможность практического использования исследованного явления во мно­ гом зависит от скорости восстановления функциональных свойств биоценоза после исчерпания его грязеёмкости, а также от изменения показателей качества воды во время регенерации. Для выяснения Этих вопросов была поставлена следующая се­ рия экспериментов.

Рис.2.11. Кинетика осветления угольной суспензии:

1 - безреагентное отстаивание, 2 - циркуляция в аппарате с микробиоценозом, 3 - циркуляция в аппарате без микробиоценоза. Пунктиром ограничены области попадания экспериментальных точек с вероятностью 0,90

После полного насыщения биоценоза взвешенными веществами и удаления основной массы загрязнений (не менее 90 %) вместе с водорослями в аппарат была залита порция свежей суспензии и отслежена кинетика изменения концентрации взвеси по описанной выше методике. Слив осветлённой воды и заливка свежей сус­ пензии при сохранении в аппарате биомассы были произведены также через 1, 7,15, 30, 33 суток и далее каждые сутки до исчерпания грязеёмкости. Пробы воды, слитые после суточного осветления, консервировали и после накопления необходимого объёма подвергали полному химическому анализу.

Результаты (рис.2.12) показали, что сразу после удаления основной биомассы эффективность поглощения взвеси резко падает (кривая 0) и становится близкой к эффективности контрольных опытов. Уже через 1 сутки характер кривой резко ме­ няется (кривая 1). Концентрация взвеси, достигаемая за 1 ч, составила 120 мг/дм3 (в контроле в среднем 420 мг/дм3). Семисуточная культура (кривая 7) по своим функ­ циональным характеристикам близка к полному восстановлению и позволила полу­ чить за 1 ч концентрацию 50 мг/дм3. Далее до 34-суточной культуры результаты ста­ бильно улучшались и до 41-суточной культуры при часовой очистке находились в пределах 5-25 мг/дм3, а при продолжительности обработки 0,5 ч составляли 20-50 мг/дм3 Дальнейшее продолжение экспериментов привело к резкому ухудшению показателей.

Таким образом, биоценоз, составляющий по массе не более 0,1 от равновесно­ го состояния, почти полностью восстанавливал свои функциональные свойства по­ сле недельного культивирования. Учитывая, что для регенерации можно оставлять более, чем 10 % исходной биомассы, а также принимая во внимание, что точно не установлены оптимальные параметры культивирования, есть основание предполо­ жить, что продолжительность регенерации может находиться в пределах 3-4 суток. Использование устройства для очистки воды с таким временем регенерации целесо­ образно при условии длительности рабочего цикла не менее нескольких дней.

Ориентировочно длительность рабочего цикла можно определить по времени пребывания воды в аппарате, его грязеёмкости и исходной концентрации взвеси. Достаточное время очистки воды по экспериментальным данным составляет 1 ч. Фактически измеренная грязеёмкость - 15 г/дм3 При этом коэффициент полезного использования объёма не превышал 10 %, что видно из рис.2.8. Из этого следует, что в оптимально сконструированном аппарате грязеёмкость может приближаться к величине 100 г/дм3 Принимая среднюю концентрацию взвешенных веществ в шахтных водах 0,3 мг/дм3 и используя выше приведённые характеристики, получим число часов работы аппарата 333, или 14 суток. Таким образом, ориентировочный расчёт показывает, что даже если ожидаемая грязеёмкость будет несколько ниже, а исходная концентрация взвеси несколько выше указанных, то, тем не менее, рабо­ чий цикл аппарата будет достаточно длительным.

При относительно быстром наращивании биомассы микроводорослей в сус­ пензии с высоким содержанием взвешенных частиц при полном затенении большей части клеток возникает вопрос о возможном механизме обеспечения затенённых клеток световой энергией, необходимой для процесса фотосинтеза. Наиболее веро­ ятным объяснения этого явления может быть предположение о способности про­ зрачного слизистого чехла сине-зелёных водорослей обладать свойствами световода [69]. В этом случае небольшие участки слизистого чехла, не занятые адсорбирован­ ными частицами, воспринимают световой поток и передают его вдоль нити с посте­ пенным рассеиванием световой энергии на затенённые клетки. В дополнение к ска­ занному можно отметить существование гипотезы о возможных светопроводящих функциях и других видов живых тканей, например, нервных волокон [274, с.205].