УДК 628 - Московский государственный университет

УДК 628.32: 574.6
РАЗВИТИЕ ТЕХНОЛОГИЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД С ПОМОЩЬЮ
ВЫСШИХ ВОДНЫХ РАСТЕНИЙ
Е.П. Петраш, О. В. Сумарукова
ФГОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства»,
г. Москва, Россия
В статье рассмотрены примеры использования высших водных растений для очистки
сточных вод в различных странах мира. Описаны виды растений и очистные сооружения.
Поставлен вопрос разработки подобных сооружений для климата России.
Development of technologies of sewage treatment by means of aquatic vascular plants. In
this text examples of use of the aquatic vascular plants for sewage treatment worldwide are
considered. Kinds of plants and clearing constructions are described. It is brought a attention to
the question of development of similar constructions for a climate of Russia.
Важность воды и гидросферы – водной оболочки Земли, невозможно переоценить.
Вода лежит в основе жизни на Земле и гидросфера находится в постоянном контакте с
другими сферами нашей планеты. Любой водоем или водный источник связан с
окружающей его внешней средой. На него оказывают влияние условия формирования
поверхностного или подземного стока, разнообразные природные явления, индустрия,
промышленное и коммунальное строительство, транспорт, хозяйственная и бытовая
деятельность человека. Наконец, в современном мире вода – один из важнейших
факторов, определяющих размещение производственных сил, а очень часто и средство
производства.
Именно сейчас, когда темпы роста водопотребления огромны, когда некоторые
страны уже испытывают острый дефицит пресной воды, особенно остро стоит вопрос
снижения загрязнения пресной воды.
Есть различные пути загрязнения водоемов естественным путем. Например,
находящиеся в земле соединения алюминия попадают в систему пресных водоёмов в
результате химических реакций. Паводки вымывают из почвы лугов соединения магния,
которые наносят огромный ущерб рыбным запасам. Однако объём естественных
загрязняющих воду веществ ничтожен по сравнению с тем, что производит человек.
Водоемы загрязняются, в основном, в результате спуска в них сточных вод от
промышленных предприятий и населенных пунктов. В результате сброса сточных вод
изменяются физические свойства воды (повышается температура, уменьшается
прозрачность, появляются окраска, привкусы, запахи); на поверхности водоема
появляются плавающие вещества, а на дне образуется осадок; изменяется естественный
баланс водоема (увеличивается содержание органических и неорганических веществ,
появляются токсичные вещества, уменьшается содержание кислорода, изменяется
активная реакция среды и др.); изменяется качественный и количественный
бактериальный состав, появляются болезнетворные бактерии.
Загрязненные водоемы становятся непригодными для питьевого, а часто и для
технического водоснабжения; теряют рыбохозяйственное значение и т.д.
Множество веществ и химических соединений, попадая в водоемы, сводят к
минимуму роль природных процессов самоочищения воды.
Как любая среда биосферы, водоем, имеет свои защитные силы и обладает
способностью к самоочищению. Самоочищение происходит за счет разбавления, оседания
частиц на дно и формирования отложений, окисления органических веществ и множества
других процессов, направленных на восстановление биологического баланса.
Он
обеспечивается совокупной деятельностью населяющих водоем организмов: бактерий,
водорослей и высших водных растений, различных беспозвоночных и позвоночных
животных. Поэтому одна из важнейших природоохранительных задач состоит в том,
чтобы поддерживать эту способность.
Водные растения в водоемах выполняют следующие основные функции [1]:
фильтрационную (способствуют оседанию взвешенных веществ);
поглотительную (поглощение биогенных элементов и некоторых органических
веществ);
накопительную (способность накапливать некоторые металлы и органические
вещества, которые трудно разлагаются);
окислительную (в процессе фотосинтеза вода обогащается кислородом);
детоксикационную (растения способны накапливать токсичные вещества и
преобразовывать их в нетоксичные).
Известна способность высших водных растений удалять из воды загрязняющие
вещества – биогенные элементы (азот, фосфор, калий, кальций, магний, марганец, серу),
тяжелые металлы (кадмий, медь, свинец, цинк), фенолы, сульфаты – и уменьшать ее
загрязненность нефтепродуктами, синтетическими поверхностно-активными веществами,
что контролируется такими показателями органического загрязнения среды, как
биологическое потребление кислорода (БПК) и химическое потребление кислорода
(ХПК), что позволяет рассматривать возможность использования их в практике очистки
производственных, хозяйственно-бытовых сточных вод и поверхностного стока.
Во многих странах, а также США довольно широко используются системы очистки
шахтных вод на плантациях камыша и тростника [2]. Описаны сооружения с камышовой
растительностью для очистки хозяйственно-бытовых сточных вод в Нидерландах [3],
Японии [4], Китае [5], для очистки загрязненного поверхностного стока в Норвегии [6],
Австралии [7] и в других странах. Стойкость камыша к действию больших концентраций
загрязняющих веществ позволила довольно успешно использовать его для очистки
сточных вод свиноводческих комплексов в Великобритании [8].
В г. Бентон (США) с населением 4700 человек с 1985 г. осуществляется очистка
бытовых сточных вод в прудах с зарослями камыша и других водных растений.
Подсчитано, что стоимость такой системы очистки в 10 раз меньше, чем стоимость
традиционных систем при удовлетворительном качестве очистки воды от соединений
азота, фосфора, взвешенных и органических веществ [9]. В Ирландии (г. Вильямстоун)
успешно эксплуатируется система совместной очистки хозяйственно-бытовых вод (72 %)
и поверхностного стока (28 %), сконструированная в виде трех мелководных лагун, две из
которых засажены камышом и рогозом, а третья представляет собой биопруд с
плавающими водными растениями — лилией и ряской.
По результатам промышленно-экспериментальных исследований процесса очистки
бытовых сточных вод с использованием водного гиацинта в США, степень очистки по
БПК5 достигает 97…98 %.
В России в Институте цитологии и генетики разработана технология доочистки
сточных вод с использованием водного гиацинта. Экспериментальная работа была
проведена для сточных вод комплекса по разведению свиней. Очистка проводилась в
биопрудах. Концентрация азота аммонийного снижалась (мг/л) с 30…50 до 4…5, БПК5 –
со 150 до 20…30, ХПК – с 300 до 25…30, концентрация растворенного кислорода
возрастала от 0,5 до 2…5 (мг О2)/л.
В Норвегии в 40 км на юг от Осло для очистки сельскохозяйственного
поверхностного стока построено экспериментальное биоплато (рис. 1), которое
представляет собой сконструированный из 8 параллельных полос (каждая размером 3х40
м) фильтр глубиной 0,5 м, площадью 1200 м2 [6]. Площадь водосбора составляет 0,8 км2.
Предварительные исследования показали значительную эффективность удаления
взвешенных веществ – 45…75 %, фосфора – 21…44 %, азота – 15 %. Исследования
продолжаются.
Рис. 1. Экспериментальное биоплато в
Норвегии
Рис. 2. Биофильтрационная система
В Австралии
Австралийские ученые разработали способ очистки поверхностного стока от
автомагистралей [7]. Дороги не обустраиваются бордюрами, сбор стока осуществляется
фильтрационными траншеями (рис. 2), заполненными на глубину 0,8 м гравием. На дне
траншеи прокладываются сборные трубопроводы диаметром 150 мм, которые
транспортируют сток для дальнейшей очистки в биоплато.
Многие высшие водные растения, такие как ряска, камыш, тростник обладают
способностью извлекать из воды загрязняющие вещества. Особенно следует отметить
водный гиацинт, или эйхорнию, которая очищает озера, малые реки и водоемы,
всевозможные
грязные
стоки
хозяйственно-бытового
и
животноводческого
происхождения.
В Молдове Научно-исследовательский и внедренческий центр Министерства
окружающей среды и благоустройства территорий, прежде чем начать промышленное
использование эйхорнии провел ряд исследований. Результатом исследований стали
следующие данные: растения использовались на доочистке после очистных сооружений
(растения высаживались в прудах очищенных сточных вод одной из очистных станций),
общий объем взвешенных веществ сократился на 30 %, аммиака – 42, фосфатов – 46,
железа – 50, синтетические эфиры уменьшились – 32, нефтепродукты – 45% [19].
При очистке сточных вод чаще всего используют такие виды высших водных
растений (ВВР), как камыш, тростник озерный, рогоз узколистый и широколистый, рдест
гребенчатый и курчавый, спироделла многокоренная, элодея, водный гиацинт (эйхорния),
касатик желтый, сусак, стрелолист обычный, гречиха земноводная, резуха морская, уруть,
хара, ирис и проч.
В проведенных в Украине испытаниях изучали свойства очистки воды с помощью
камыша озерного и рогоза, а наиболее эффективной является трехступенчатая очистка по
схеме размещения: камыш-рогоз-тростник. Наиболее оптимальный цикл очистки –
шестисуточный, при котором снятие органических загрязнений составляет 88 % от
исходной величины стока. Результаты проведенных лабораторных исследований
свидетельствуют о возможности практического использования высших водных растений в
технологическом процессе очистки сточных вод предприятий.
Как показали исследования, корневая система рогоза имеет высокую
аккумулирующую способность относительно тяжелых металлов [11]. Концентрация
металлов в корневой системе рогоза, который рос на берегах шламонакопителей
электростанций, достигала (мг/кг): железа – 199,1, марганца – 159,5, меди – 3,4, цинка –
16,6.
Известно, что камыш имеет высокие адаптивные свойства и способен прорастать в
очень загрязненных промышленными сточными водами водоемах [12]. Он способен
удалять из воды ряд органических соединений, в том числе фенолы, нафтолы, анилины и
прочие органические вещества. Удельное поглощение минеральных веществ камышом
достигает (г на 1 г сухой массы): кальция – 3,95, калия – 10,3, натрия – 6,3, кремния – 12,6,
цинка – 50, марганца – 1200, бора – 14,6 [13].
В Украине использование ВВР на разных типах биоплато – инженерно-биологических сооружениях, которые обеспечивают очистку и доочистку хозяйственно-бытовых,
производственных сточных вод и загрязненного поверхностного стока, не требуя (или
почти не требуя) затрат электроэнергии и использования химических реагентов при
незначительном периодическом эксплуатационном обслуживании, – началось еще в
прошлом веке. В Институте гидробиологии НАНУ, г. Киев, было предложено и
исследовано использование биоплато как сооружения доочистки воды в каналах, по
которым транспортируется вода из р. Днепра для водообеспечения таких регионов, как
Крым, Донбасс, а также в других отраслях [12, 14, 15]. Широкое изучение и внедрения
биоинженерных сооружений с использованием ВВР выполняется в Институте
экологических проблем,
(г. Харьков).
В научно-инженерном центре (НИЦ) «Потенциал-4» работы по разработке
технологии доочистки и водоотведения возвратных вод с применением ВВР в закрытом
биоплато гидропонного типа начаты в 1990 г. НИЦ «Потенциал-4» предложены
инженерно-биологические сооружения на основе закрытого биоплато гидропонного типа
(ЗБГТ). Научно-инженерным центром «Потенциал-4» вместе с Институтом
гидробиологии НАНУ выполнены многолетние исследования разных типов ЗБГТ, на
основе которых Институтом гигиены и медицинской экологии ЗБГТ признано
сооружением, обеспечивающим нормативное качество возвратных вод для водоемов
хозяйственно-питьевого и рыбохозяйственного использования. В основу технологии
утепленного ЗБГТ положено использование как естественных процессов самоочищения,
присущих водным и околоводным экосистемам, так и управление этими процессами на
основе расчетов, базирующихся на учете внешних факторов (температура воды и воздуха,
рН среды, период года, гидравлическая нагрузка на сооружения, начальная концентрация
растворенного в воде кислорода и загрязняющих веществ воды, которая подается на
очистку), а также технологических параметров биоплато (площадь и материал
эффективных поверхностей как субстрата прикрепления для разнообразных водных
организмов – бактерий, актиномицетов, грибов, простейших и одноклеточных
водорослей, ракообразных, червей, насекомых и мшанок; внесение в период запуска
биопрепаратов с селективно подобранными гидробионтами-биодеструкторами для
конкретных типов загрязнений в водах, которые подлежат очистке) [17]. Наиболее
важными характеристиками искусственно сформированного биоценоза макрофитов и
микроорганизмов в биоплато есть общая площадь биоплато, которую занимают растения,
их видовой состав и численность на 1 м2; время контакта потока воды с биоценозом,
режим эксплуатации биоплато.
Рис. 3. Типовая конструкция ЗБГТ с герметическим дном
На рисунке 3 представлена типовая схематическая конструкция ЗБГТ. Сточные воды
от канализационной насосной станции со встроенным блоком очистки (КНС с ВБО)
подаются в распределительный колодец, который часто размещается непосредственно в
биоплато. От распределительного колодца через систему перфорированных
трубопроводов, которые в конструктивном плане могут прокладываться по параллельной
или лучевой схеме, вода поступает на биоплато. Фильтрация сточной воды происходит в
вертикальном направлении через пласт загрузки (мытый щебень гравий, керамзит).
Площадь ЗБГТ и толщина пласта загрузки определяется расчетом и типом ВВР.
Высшие водные растения (камыш и тростник озерный) высаживаются с плотностью 4…6
растений на 1 м2. Сточные воды транспортируют через гравийную загрузку
фильтрационного бассейна, корневища высших водных растений и бактериальный
препарат, который способствует разложению трудно-окисляемых органических веществ.
При высокой загрязненности органическими веществами сточные воды перед подачей в
ЗБГТ могут быть предварительно насыщены кислородом, который будет оказывать
содействие аэробному окислению органических загрязнений микроорганизмами
перифитона и дыханию корневищ высших водных растений. Покрытие сооружения
инертным термоизоляционным материалом предотвращает его промерзание в зимний
период и обеспечивает эффективную очистку сточной воды на протяжении года.
Конструктивно создается естественная вентиляция всего объема загрузки ЗБГТ, которая
обеспечивает эффективное использование ВВР и гидробиоценоза
биопленки для
окисления загрязнений.
ЗБГТ – инженерное сооружение, которое используется в основном для доочистки
предварительно очищенных в КНС с ВБО сточных вод, но оно может использоваться
также для улучшения качества поверхностных вод. Конструкции ЗБГТ выполняют разной
формы: прямоугольной, овальной, произвольной. Использование принципов
ландшафтного дизайна при проектировании и строительстве сооружений биоплато
позволяет широко использовать декоративные возможности сооружений для улучшения
эстетических характеристик окружающих территорий. Разработаны разные конструкции
биоплато (одноярусные и двухъярусные, одноступенчатые и многоступенчатые),
позволяющие осуществлять эффективную очистку и водоотведение доочищенных вод
непосредственно в водоем. На рис. 4 и 5 представлены фото ЗБГТ на этапах введения в
эксплуатацию и на третьем году эксплуатации.
Кроме своих функций как биоинженерных сооружений, ЗБГТ, как
высокопродуктивная экосистема, создает пространственную неоднородность в
существующих обедневших антропогенно-природных ландшафтах, предоставляет
дополнительные места обитания и пищевые ресурсы для многих видов флоры и фауны,
которая, в свою очередь, создает благоприятные условия для поддержки биоразнообразия
[16]. Использование принципов ландшафтного дизайна при проектировании и
строительстве ЗБГТ позволяет широко использовать декоративные возможности
сооружений для улучшения эстетичных характеристик промышленных площадок и
других территорий.
Биологический способ очистки вод хорошо зарекомендовал себя в условиях сухого и
жаркого климата. Попытка внедрить этот способ в средней полосе России, пока не дает
настолько оптимистичных результатов в основном из-за того, что число дней в году со
среднесуточной температурой выше 16оС (при которой высшая водная растительность
активно вегетирует) очень мала. Поэтому возникает необходимость приспособить
технологию очистки к климату России. С этой целью необходимо разработать
определенные технологические и технические решения, обеспечивающие устойчивую и
эффективную работу систем биологической очистки с использованием высшей водной
растительности в течение года.
Рис. 4. Введение в эксплуатацию ЗБГТ
Рис. 5. Двухступенчатое ЗБГТ на третьем
году эксплуатации
В результате появился проект, основанный на естественной способности водяного
гиацинта извлекать из водной среды в процессе роста различные биогенные элементы, и
позволяющий создавать низкозатратные энергосберегающие водоочистительные системы.
Библиографический список
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Тимофеева С.С. Биотехнология обезвреживания сточных вод // Хим. и технол. Воды.
1995. 17, № 5. С. 525-532.
Dunbabin J.S., Bowner K.H. Potential use of constructen wetlands for treatment of
industrial wasterwaters containing mettals // Sci. Total. Environ. 1992. 111, N 2/3. P. 5660.
Gleichman-Verheyc E.G., Putten W.H., Vander L. Alvalwaterzuvering met
helofytenfilters, een aalbaarheidsstudie // Tijdschr. watervoorz. en. afvalwater. 1992. 25, N
3. Р. 56-60.
Hosokova Yasuschi, Miyoshi Eiich, Fukukawa Keita. Характеристика процесса очистки
прибрежних вод тростниковыми зарослями // Rept. Part and Harbour. Res. Inat. 1991.
30, N 11. P. 206-257.
Дин Яньхуа. Исследование образцового проекта системы очистки сточных вод на
увлажненных землях с зарослями тростника //Chim. J. Environ. Sci. 1992. 13, N 2. P. 813.
Blankenberg A.-G.B., Braskerud B.C. «LIERDAMMEN » – a wetland testfield in Norway.
Retention of nutrients, pesticides and sediments from a agriculture runoff: Diffuse Pollut.
Conf., Dublin, 2003.
7.
Lloyd S.D., Fletcher T.D., Wong T.H.F., Wootton R.M. (Australia). Assessment of
Pollutant Removal Performance in a Bio-filtration System: Preliminary Results, аnd South
Pacific Stormwater Conf.; Rain the Forgotten Resource, 27-29 June 2001, Auckland, New
Zealand. — P. 20-30.
8. Hadlington Simon. An interestind reed // Chem. Brit. 1991. 27, N 4. P. 229.
9. Dawson G.F., Loveridge R.F., Bone D.A. Grop production and sewage treatment using
gravel bed hydroponic erridation // Ibid. 1989. 21, N 2 P. 57-64.
10. McAnally A.S., Benefield J.D. Use of constucted water hiacinth treatment systems to
upgrade small flow municipal wastewater treatment //J. Environ. Sci and Health. 1992. 27, N
3. P. 903-927.
11. Samkaram Unni K., Philip S. Heavy metal uptake and accumulation by Thypha angustifolia
rom weltlands around thermal poweer station //Int. J. Ecol. and Environ. Sci. 1990. 16.N 2/3.
Р. 133-144.
12. Короткевич Л.Г. К вопросу использования водоохранно-очистных свойств тростника
обыкновенного //Водные ресурсы. 1976. № 5. С. 198-204.
13. Seidel K. Gewasserreinung durch hohere Pflanzen // Garten und Landschaft. 1978. 88, N 1.
S. 9-17.
14. Смирнова Н.Н. Эколого-физиологические особенности корневой системы
прибрежноводной растительности // Гидробиологический журн. 1980. 26, № 3. С. 6069.
15. Кравець В.В., Мережко О.І. Спосіб біологічного очищення поверхневих вод / Пат.
3550345/SU // Промисл. Вартість. 1983. № 3. 25. Knight R.I.
16. Wildlife habitat and public use benefits of treatment wetlands // Water Sci. Technol. 1997.
35, N 5. P. 35-43.
17. Коцарь Е.М. Инженерные сооружения типа «биоплато» как блок доочистки и
водоотведения с неканализованных территорий: Тез. докл. междунар. конф.
«AQUATERRA». – СПб, 1999. С. 72-73.
18. Жэньминь Жибао, «Новый тип очистных сооружений», Китайский информационный
центр http://russian.people.com.cn/31517/2964418.html.
19. Ветров В. «Эйхорния, экономика и экология. – Кишинев, 2003.