Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Удаление биогенных элементов из сточных вод. Монография
.pdf
Е.С.Гогина
УДАЛЕНИЕ
БИОГЕННЫХЭЛЕМЕНТОВ
ИЗСТОЧНЫХВОД
Московский государственный
строительный университет
Москва2010
УДК 628.3
Р е ц е н з е н т ы
гл. технолог ОАО «МосводоканалНИИпроект»,
канд. техн. наук Д.А. Данилович, ген. директор
ООО «ГЛАКОМРУ», канд. техн. наук А.С. Комаров
Гогина Е.С. Удаление биогенных элементов из сточ-
ных вод: Монография / ГОУ ВПО Моск. гос. строит. ун-т. –
М.: МГСУ, 2010. – 120 с.
ISBN 978-5-7264-0493-6
В монографии дана характеристика биогенных элементов,
оказывающих влияние на состояние водоемов, соединений
азота и фосфора. Приведены сведения о качестве сточных вод,
поступающих на очистные сооружения, а также концентрации
биогенных элементов очищенных сточных вод. Методы удаления биогенных элементов представлены двумя основными
группами: физико-химическими и биологическими. Для биологических методов удаления биогенных элементов дано подробное теоретическое обоснование процессов, происходящих в
сточных водах.
Монография может быть полезна специалистам, инженерам, ученым, работающим в области очистки сточных вод, а
также студентам, аспирантам, бакалаврам и магистрам, обучающимся по специальности «Водоснабжение и водоотведение».
Ил. 30, табл. 15, библ. сп. 60
Рекомендовано Научно-техническим советом МГСУ
ISBN 978-5-7264-0493-6
© Гогина Е.С., 2010
© МГСУ, 2010
2
ПРЕДИСЛОВИЕ
Охрана окружающей среды и, особенно, водных объектов от за-
грязнения и истощения является одной из важнейших задач в современном мире.
Человек в последние десятилетия стал оказывать существенное
влияние на гидросферу и водный баланс планеты. Антропогенные
образования вод континентов уже достигли глобальных масштабов,
нарушая естественный режим даже крупнейших озер и рек земного
шара. Этому способствовали вынужденное строительство гидротехнических сооружений (водохранилищ, оросительных каналов, систем переброски вод), увеличение площади орошаемых земель, обводнение засушливых территорий, урбанизация, загрязнение пресных вод сточными водами и т.д.
В окружающей нас природной среде практически не осталось
источников пресной воды, не загрязнённых продуктами жизнедеятельности человека. Во многих странах санитарно-гигиеническое
состояние водных ресурсов делает невозможным и опасным их использование для питьевых и культурно-бытовых целей, вызывая
многочисленные опасные для человека эпидемии. Существующие
коммунальные очистные сооружения не отвечают современным требованиям и во многих случаях служат причиной попадания в природные водоемы органических загрязнений и особенно биогенных
элементов (азота и фосфора), тем самым вызывая их вторичное загрязнение. В последние годы учёные многих стран мира придают
большое значение проблемам глубокой очистки сточных вод от органических загрязнений и биогенных элементов. Вопрос удаления
биогенных веществ является первоочередным в деле улучшения качества очищенных сточных вод, он в наибольшей степени отвечает
задачам улучшения экологического состояния водной среды.
При написании книги автор использовала не только собствен-
ный опыт работы, но и отечественные и зарубежные литературные
источники, материалы конференций, симпозиумов и т.д.
Автор выражает огромную благодарность заведующему кафедрой
водоотведения профессору Ю.В. Воронову, преподавателям и сотрудникам кафедры профессору В.П. Саломееву, И.С. Кругловой, Ю.П. Побегайло, доценту О.А. Ружицкой за помощь, оказанную при написании монографии.
Автор благодарна кандидатам технических наук Д.А. Данило-
вичу и А.С. Комарову за замечания и советы, сделанные при рецензировании рукописи.
3
1. БИОГЕННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
1.1. БИОГЕННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ В СТОЧНЫХ ВОДАХ
И ЭВТРОФИРОВАНИЕ ВОДОЕМОВ
Биогенные элементы – элементы, постоянно входящие в состав организмов и выполняющие определенные биологические
функции. Важнейшими биогенными элементами являются кислород, углерод, водород, азот, фосфор, сера, кальций, калий, натрий, хлор. Все указанные элементы играют важную роль в биологических процессах, происходящих в окружающем нас мире, в
том числе и в воде водоемов.
В практике очистки сточных вод выделяют два основных
биогенных элемента: азот (N) и фосфор (P).
Биогенные вещества (азот и фосфор) являются одними из основных составляющих компонентов сточной воды, присутствие
которых в коммунальных или близких к ним по составу хозяйственно-бытовых водах фиксируется постоянно. Азот в сточной
воде может быть представлен несколькими соединениями: азот
аммонийный (NH
азот органический (в составе органических соединений). Фосфор
в сточных водах находится в составе органических соединений
(органический фосфор), полифосфатов (P
Для современного мира характерна крайне нестабильная ситуация, связанная с перепроизводством отходов и изготовлением
небиодеградирующих материалов, которые с большим трудом
разлагаются и ассимилируются в результате естественных процессов. Нестабильная ситуация все в большей мере проявляется в
загрязнении водоемов в сильно заселенных и производственно
развитых областях континентов, где водные источники подвергаются различного рода загрязнениям, в том числе и эвтрофикации.
Как известно, именно биогенные элементы, попадающие в
воду водоемов, являются причиной развития в них водорослей,
которые вызывают эвтрофикацию. Эвтрофикация может быть
результатом как естественного старения водоема, так и антропогенных воздействий.
4
-
), азот нитритов (NO
4
-
), азот нитратов (NO
2
) и ортофосфатов (PO4).
2O5
-
),
3
Чтобы глубже понять проблему эвтрофикации, необходимо
различать две жизненные формы водных растений: бентосную и
фитопланктонную. Бентосные растения развиваются, прикрепившись или укоренившись на дне водоема. Они выживают в
бедной биогенными элементами воде, так как получают необходимые элементы, например азот и фосфор, из донных отложений,
но нуждаются в проникновении сквозь толщу воды достаточного
для фотосинтеза количества света. Глубина, при которой происходит фотосинтез, называется эвтрофической зоной и может достигать 30 м в очень чистой воде. Если вода становится мутной,
эта зона уменьшается до 2,5 см.
Фитопланктон состоит из множества видов водорослей,
представляющих собой отдельные клетки, их скопления или нити, которые держатся вблизи поверхности воды или прямо на
ней. Мутная вода мало влияет на развитие водорослей, а высокая
численность планктона сама по себе является важнейшей причиной ее помутнения. Фитопланктон не связан с дном, поэтому необходимые для жизнедеятельности биогенные элементы он должен получить из воды. Следовательно, концентрация биогенных
элементов в воде влияет на соотношение между планктоном и
бентосной растительностью.
Необходимо также отметить, что бентосные растения не
только обеспечивают пищу и убежище водным особям, но и поддерживают высокое содержание растворенного кислорода на
глубине, так как, выделяясь в процессе фотосинтеза, кислород
попадает непосредственно в воду.
В условиях эрозии и выщелачивания водоем постепенно заполняется наносами и обогащается биогенными элементами, что
способствует развитию планктона, а значит, помутнению воды,
исчезновению бентосной растительности, невозможности проведения процесса фотосинтеза, уменьшению концентрации растворенного кислорода в воде. Таким образом создаются условия для
эвтрофикации водоемов.
Под эвтрофикацией водоемов понимают повышение уровня
первичной продукции водоемов благодаря увеличению в них
концентрации биогенных элементов, главным образом азота и
фосфора. Повышение до определенного уровня первичной про-
5
дукции создает основу развития более богатой кормовой базы
рыбы и других гидробионтов, способствует увеличению их численности, а в связи с этим ухудшению качества воды за счет ее
«цветения», уменьшения прозрачности и содержания в ней кислорода. Следовательно, высокая степень эвтрофикации водоемов вызывает замор рыбы и др. гидробионтов.
Антропогенное эвтрофирование вызвано, в частности, сбросом биогенных веществ со сточными водами и поверхностным
стоком и отличается от естественного высокой скоростью процесса.
Биогенные элементы, попадая в воду, вызывают загрязнение
воды и усиленное развитие фитопланктона, приводящее к тому,
что вода начинает «цвести». Под «цветением» воды понимают
интенсивное развитие водорослей, в результате чего микроскопические организмы из-за своей массовости становятся видимыми и придают воде различную окраску. Например, сине-зеленые
водоросли (характерные для умеренного и теплого климата) образуют токсичные вещества, качество воды ухудшается, появляются посторонние запахи, неприятный вкус, и вода становится
непригодной для питья. В периоды отмирания большой массы
микро- или макрорастительности происходит еще более резкое
ухудшение качества воды: снижается содержание растворенного
кислорода, появляются неприятные запахи. Это явление (изменение качества воды в результате нарушения естественного хода
биологических процессов) получило название вторичного (биологического) загрязнения.
Под влиянием эвтрофирования и загрязнения водоемов значительно изменяются их биологические показатели, увеличивается видовое разнообразие, повышается численность и биомасса
нефотосинтезирующих микроорганизмов (бактерий, грибов), а
видовой состав водорослей и высших водных растений при росте
их численности и биомассы уменьшается. В клетках гидробионтов накапливаются металлы, нефтепродукты и другие опасные
соединения. Фауна водоемов изменяется качественно и количественно, многие виды зоорганизмов вымирают; сокращается численность и биомасса рыбы, в том числе ценной; ухудшается санитарно-эпидемиологическая ситуация при усиленном размно-
6
жении паразитирующих организмов, патогенной микрофлоры
вирусов; усиливаются заболевания гидробионтов, птиц, водных
животных. В период «цветения» концентрация водорослей достигает величины 1 – 5 млн клеток в 1 мл или 1000 – 5000 млрд в 1 м
воды, которая приобретает вид зеленого бульона.
К основным причинам «цветения» воды относятся резкое сокращение скорости течения воды, перемешивания и, как следствие, образование застойных зон. На интенсивность развития водорослей большое влияние оказывает температура воды. Пересыщение водоемов питательными веществами (азотом, фосфором, органическими соединениями) представляет собой третью
причину интенсификации роста водорослей. Сине-зеленые водоросли чрезвычайно стойки, на любую экологическую катастрофу
они откликаются первыми, изменяя характер своего развития и
приспосабливаясь к новым условиям. Комплекс всех этих причин
и вызывает «цветение» воды. Возникнув в силу сложившихся в
водоеме условий, этот процесс повторяется из года в год с разной
интенсивностью и в разных масштабах. Регулирующую роль
здесь играют метеорологические факторы (освещенность, давление, температура), гидродинамические особенности водных объектов, а также степень обеспеченности водорослей необходимыми питательными веществами.
Ухудшение основных химических показателей воды при ее
«цветении» связано с прижизненным ростом водорослей и разложением образованного ими органического вещества. В воде,
подверженной интенсивному «цветению», обнаружено и идентифицировано порядка 200 разнообразных химических соединений,
в том числе представляющих опасность для человека (токсины,
канцерогенные вещества, аллергены). В скоплениях водорослей,
в результате возникающих там процессов, накапливаются ацетон,
масляная и уксусная кислоты, бутиловый спирт. В воде появляются фенолы (причем их концентрация может в 10 раз превышать допустимую санитарную норму), индолсодержащие компоненты, меркаптаны, амины, а рН воды снижается до 4 – 5 и ниже.
Под влиянием поверхностной пленки водорослей усиливается
нагрев воды (на 6 – 8°С выше нормы), что повышает испарение и
3
7
способствует переходу летучих водорослевых метаболитов в воздух, вызывая его загрязнение.
Вследствие большой концентрации органических соединений создается неблагоприятная санитарно-эпидемиологическая
обстановка, поскольку они служат питательной средой для развития и сохранения патогенной микрофлоры, в том числе холерных
вибрионов. Угрожающая ситуация складывается при массовом
развитии токсических форм водорослей. Следовательно, чрезмерное развитие водорослей в водоеме вызывает комплекс негативных последствий, в результате которых вода из полноценного
и доброкачественного природного продукта превращается в
опасную для всего живого жидкость. Особо серьезные последствия возникают там, где к биологическому загрязнению добавляются химическое и тепловое.
Качественный и количественный состав биоценоза и особенности питания (степень трофности) в водоеме обусловливаются
химическим составом воды.
Так, например, воды олиготрофных водоемов бедны минеральным азотом и особенно фосфором, встречающимся в виде
следов. Благодаря низкой плотности биоценоза в воде присутствует много кислорода, а содержание СО
невелико, вследствие
2
чего, в частности, отмечается нерастворимость соединений железа. Вода прозрачная, синего или зеленого цвета. К такому типу
относят глубокие озера с песчаными берегами. Кислород из атмосферы растворяется в воде крайне медленно. Следовательно,
бентосные растения не только обеспечивают пищу и убежище
водным животным, но и поддерживают необходимую концентрацию растворенного кислорода на глубине, выделяя его непосредственно в воду, в результате в водоеме, обедненном питательными элементами, может существовать богатый, разнообразный
биоценоз из рыб, моллюсков и бентосных растений, которыми
они питаются.
Воды эвтрофных водоемов богаты азотом и фосфором. Обилие организмов ведет к истощению кислорода в глубинных слоях
во время фаз застоя. Вода малопрозрачная, от зеленоватокоричневой до коричневой. При эрозии и выщелачивании водоем
постепенно заполняется наносами и обогащается биогенами, на-
8
копление которых способствует развитию фитопланктона, а значит, помутнению воды и затенению бентосной растительности.
Кислород, выделяемый планктоном при фотосинтезе, перенасыщает верхний слой воды и улетучивается с ее поверхности: в ясный день легко видеть, как из скоплений нитчатых водорослей
всплывают пузырьки кислорода.
Жизненный цикл фитопланктона очень короток. Его быстрое
размножение компенсируется отмиранием, ведущим к накоплению детрита. Отмерший фитопланктон поступает в глубинную
зону, где им питаются редуценты, также потребляющие кислород
и снижающие его концентрацию в воде. Когда растворенного кислорода не остается, бактерии-редуценты выживают за счет анаэробного брожения, и так может продолжаться до тех пор, пока
есть детрит для питания. Таким образом, у поверхности количество растворенного кислорода может быть очень высоким из-за
фотосинтеза фитопланктона, а на глубине его запасы истощаются
редуцентами. «Дождь» фитопланктона переносит усвоенные им
биогенные элементы на дно, где по мере разложения детрита они
вновь высвобождаются. Восходящие конвективные потоки возвращают биогенные элементы к поверхности, и описанный процесс повторяется многократно.
В масштабах геологического времени водоемы постоянно
обогащаются биогенными элементами и заполняются поступающими с суши наносами. За многие столетия в водоеме накапливаются ил и детрит, постепенно заполняющие первоначально
глубокое дно.
Естественное старение водоема тоже является эвтрофикацией
– составной частью естественного процесса, называемого сукцессией. За несколько тысяч лет водоем может измениться естественным путем и превратиться из олиготрофного в эвтрофный
или, иначе говоря, «состариться». Однако антропогенная деятельность приводит к аналогичным последствиям всего за несколько десятилетий. Поэтому принято говорить об антропогенной эвтрофикации, противопоставляя ее естественной. Эвтрофикация – хороший пример того, что не все негативные проблемы
современности связаны с промышленным выбросом «ядовитых»
соединений. Так, в рассматриваемом случае частой причиной
9
старения водоема является поступление в природную экосистему
таких «безвредных» веществ, как частицы почвы и питательные
вещества, т.е. изменение любого экологического фактора может
нарушить равновесие в экосистеме.
1.2. ИСТОЧНИКИ ПОСТУПЛЕНИЯ
БИОГЕННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В ВОДНЫЕ ОБЪЕКТЫ
Для того, чтобы вести борьбу с эвтрофированием водоемов
или контролировать состояние водоема, необходимо определить
источники попадания в водные объекты соединений азота и фосфора.
Причинами попадания биогенных элементов в водоёмы являются:
• воздействие человека на почвенный слой интенсивными ме-
тодами агрохимии полей (применение минеральных удобрений);
• образование водохранилищ, занимающих большие террито-
рии и не имеющих достаточных протоков;
• формирование новых потоков воды, в основном сточных
вод, содержащих большое количество соединений азота и фосфора;
• развитие промышленного, сельскохозяйственного и живот-
новодческого производств, применение моющих веществ, обусловливающих увеличение сточных вод, содержащих биогенные
элементы;
• образование ливневых потоков с малыми концентрациями
биогенных элементов (учитывая кратковременное поступление
ливневого стока в водоёмы, строгих требований по удалению
биогенных веществ не предъявляется).
Снижения нагрузки по загрязняющим веществам на водные
объекты можно достичь предотвращением поступления биогенных элементов в сточные воды или при интенсификации очистки
сточных вод от этих веществ.
Как указывалось выше, основными биогенными элементами,
оказывающими влияние на водоемы, являются соединения азота
и фосфора. Поэтому особенно интересными представляются причины попадания в водоем именно этих элементов.
Основным источником попадания ионов фосфора в водоёмы
являются хозяйственно-бытовые сточные воды. Для данного вида
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]