Применение традиционных технологий биологической очистки сточных вод ограничено из-за сравнительно высоких капиталовложений при строительстве и энергоемкости технологии при очистке небольших расходов сточных вод в регионах без развитых систем канализаций. Использование методов естественной биологической очистки характеризуется устойчивостью качественных показателей воды на выходе, широкими возможностями удаления биогенных элементов (азота и фосфора), низкими капиталовложениями при строительстве и затратами при эксплуатации, не высокими концентрациями активного ила, а также рядом других преимуществ. Инженерные сооружения типа биоплато относятся к наиболее прогрессивным методам естественной биологической очистки сточных вод, получившим широкое применение во многих странах мира. Ниже представлено краткое изложение классификации, достоинств и недостатков различных типов сооружений данного класса, а также механизмы удаления в них загрязнений из сточных вод.
1. Естественная биологическая очистка сточных вод
Естественная биологическая очистка сточных вод, как правило, представлена комплексом инженерных мероприятий, обеспечивающих экологические нормативы в области охраны окружающей среды.
Наиболее простыми сооружениями данного типа, используемыми человеком уже более пяти столетий, являются поля орошения и фильтрации, представляющие собой специально карты. При контакте-подготовленные и спланированные участки земли загрязнителей сточных вод с иммобилизованными микроорганизмами почвенного слоя за счет процессов биосорбции, биоразложения и механической фильтрации происходит удаление загрязнителей из сточных вод. На территории стран СНГ поля орошения впервые появились в Одессе (1887 г.), затем в Киеве (1894 г.) и в Москве – Люблинские поля орошения (1898 г.).
Разновидностью полей фильтрации являются поля подземной фильтрации, в которых на глубине 0,5 – 2 м укладываются дренажные трубы. По ним очищенная вода отводится с полей фильтрации, используется для орошения или других целей. Подземная фильтрация получила очень широкое применение в Японии, а в последние годы и в Китае также широко используют данные сооружения.
Прогрессивным развитием методов естественной биологической очистки является биоинженерные сооружения типа биоплато, которые в мировой практике получили название "Constructed wetland". Это исскуственная система очистки сточных вод, имеющая ряд характеристик естественного биоплато. Для очистки сточных вод в этой системе применяют различные гидробионты: микроорганизмы, водоросли, высшие растения и т.д. При протекании сточных вод через слои загрузки происходят процессы фильтрации, осаждения, адсорбции, поглощения загрязнителей водными растениями. Очистка возможна как в аэробных, так и анаэробных условиях.
В 1953 г. Kathe Seidel (Германия) была описана повышенная способность камыша удалять многие органические и неорганические вещества в процессе своей жизнедеятельности. Позднее им было показано, что при очистке сточных вод с использованием камыша исчезают некоторые условнопатогенные и патогенные бактерии, относящиеся к колибациллам, ентерококкам, сальмонеллам и др. Кроме того, установлено, что камыш и другие высшие водные растения обладают способностью удалять из сточных вод тяжелые металлы и углеводы. Все это позволило Seidel предложить очистные сооружения типа "Max-planck insititute-process", состоящие из 4 или 5 ступеней очистки, каждая из которых включает несколько последовательных и параллельных прудов.
В середине 60 годов ХХ столетия на основании проведенных исследований Kickuth предложил технологию, получившую название "метода корневых зон". Сооружение очистки данным методом состоит из прямоугольных прудов с камышами, в прикорневых частях которых образуются многочисленные аэробные и анаэробные зоны. При протекании сточных вод через такие прикорневые системы происходит разложение органических загрязнителей, удаляется азот в процессах нитрификации и денитрификации, а фосфор вместе с кальцием, железом, алюминием и другими ионами осаждаются. В Othfresen (Германия) в 1974 году было построено первое современное инфильтрационное сооружение очистки сточных вод типа биоплато на основе метода корневых зон.
В настоящее время уже известно более 2,5 тыс эксплуатируемых биоплато в различных странах мира, включая Украину. Биоплато получили широкое распространение в Европе и Америке. В Дании, Германии, Англии действуют 1993 гг построено-более 200 сооружений биоплато. В США в период 1988 несколько сотен сооружений биоплато и специально разработаны технологические регламенты очистки сточных вод для сооружения типа биоплато "Constructed wetland".
В ФРГ для очистки небольших количеств сточных вод в сельской местности используют системы с высшей водной растительностью при минимальной производительности, соответствующей еквивалентному населению в 50. Gunther приводит данные обследования 25 систем биоплато с горизонтальным потоком со смешенным (первая ступень с- с вертикальным и 11 -фильтрования, 30 вертикальным и вторая с горизонтальным). Установлено, что в 80% случаев величина ХПК на выходе не превышает 100 мг/л, и БПК5 – 25 мг/л.
В Китае массовое исследование и применение биоплато отмечено в середине 80-х годов ХХ века. В 1990 году сооружение типа биоплато производительностью 3100 м3/сут., создано в г. Шеньчжень. Проведены экспериментальные исследования и построены установки биоплато в пригородах Пекина и Тяньцзиня. В последние годы очистные сооружения типа биоплато получили признание в Китае благодаря низким затратам на строительство и расходам при эксплуатацию. Следует отметить, что поскольку при эксплуатации биоплато одновременно увеличивается площадь покрытия зелеными растениями, это способствует улучшению экологического состояния в данных регионах.
На юге Китая (в провинции Гуандун, Хубей, Чжецзян, Сичуань и др.) разработаны и построены биоплато с различными сочетаниями растений, новыми составами загрузок, направленными на интенсификацию процессов очистки и улучшения экологического состояния окружающей среды. При применении биоплато на севере Китая с учетом местных климатические условий в зимний период используют специальные покрытия для поддержания температуры на определенном уровне и возможности протекания биологических процессов очистки. Таким примером может служить г. Шеньян на севере КНР, где с 2003 года функционирует биоплато производительностью 20 000 м3/сут.
Если первоначально метод биоплато применялся только для очистки бытовых сточных вод, то в настоящее время эта технология используется и для очистки сточных вод от сельскохозяйственных, животноводческих, пищевых объектов. Известно, кроме того, применение биоплато для очистки производственных сточных вод, содержащих ионы тяжелых металлов и трудноразлогаемых органические соединений.
2. Классификации систем биоплато и их особенности
Биоплато
это исскуственно созданные системы очистки, напоминающие биопруды,- расположенные каскадом и построенные с учетом оптимальных физико-химических и биологических факторов процесса очистки. Существуют различные классификации систем очистки сточных вод на сооружениях типа биоплато. С точки зрения инженерного проектирования и с учетом гидравлического распределение потоков жидкости различают такие категории сооружений биоплато: поверхностные, горизонтальные инфильтрационные, вертикальные инфильтрационные и смешанного типа. Различные типы биоплато имеют свои особенности, что и создает возможность очистки в них разных категорий сточных вод.
2.1. Поверхностные биоплато
Данный тип биоплато похож на естественный "заболоченный ландшафт", когда сточные воды поступают на поверхность сооружения, с тем отличием, что это искусственное сооружение, имеющее системы управления, в результате чего достигается высокая эффективность очистки. К достоинствам сооружения следует отнести:
К недостаткам можно отнести: потребность в больших площадях, низкую гидравлическую нагрузку и как следствие, относительно невысокую эффективность очистки. Поступление кислорода в систему очистки осуществляется, в основном за счет диффузионных процессов из атмосферы через корневые органы растения. Способность поступления кислорода в систему ограничена. Еффективность очистки в сооружениях данного типа биоплато заметно изменяется под влиянием климата. Кроме того, летом наблюдается массовое развитие комаров и других насекомых, что требует проведение специальных санитарных мероприятий.
2.2. Горизонтальные инфильтрационные биоплато
Такое название биоплато связано с тем, что сточные воды в сооружение движутся через слои загрузки из одного конца к другому почти горизонтально. Сооружение состоит от одной или нескольких секций, в состав которых входят водонепроницаемое покрытие, слои загрузки и растения. По сравнению с поверхностными биоплато, в данных сооружениях достигаются большие гидравлические нагрузки и высокая эффективность очистки сточных вод по БПК, ХПК, взвешенным веществам, тяжелым металлам, а на территории очистных сооружений практически отсутствует неприятный запах и наличие насекомых. Горизонтальные инфильтрационные биоплато особенно широко применяются в США, Японии, Австралии и Европе. Недостаток данного типа сооружений состоит лишь в том, что способность удаления азота несколько ниже, чем у биоплато вертикального типа.
2.3. Вертикальные инфильтрационные биоплато
В вертикальных инфильтрационных биоплато сточные воды подают с поверхности биоплато на дно вертикально, а кислород в систему поступает за счет диффузии воздуха из атмосферы и через корневые органы растений. Процессы нитрификации в сооружениях данного типа биоплато происходят интенсивнее, чем в горизонтальных, именно поэтому возможна очистка сточных вод, содержащих азот в высоких концентрациях. Недостатками данного типа биоплато являются сложные системы управления процессом очистки, а также создание благоприятных условий для развития насекомых.
2.4 Смешанные типы биоплато
Для повышения эффективности очистки на практике часто применяют различные сочетания вышеуказанных типов биоплато, что приводит к формированию в одном сооружении различных потоков жидкости.
Ученые Китая и стран Евросоюза совместно разработали смешанные вертикальные биоплато, в которых сточные воды поступают первоначально сверху вниз, а затем снизу на верх. В сооружениях данного типа, применяющихся на юге Китая, достигается высокая эффективность очистки.
На севере Китая используется технология очистки в биоплато смешанного типа, где направление движения сточных вод включает две составляющих: горизонтальное и вертикальное, что также приводит к повышению эффективности очистки.
3. Механизмы удаления загрязнителей в сооружениях биоплато
Анализ литературных данных показывает, что в системе биоплато происходят сложные механизмы удаления загрязнителей из сточных вод. В этой сложной системе (растения – микроорганизмы – загрузка) происходят аэробные и анаэробные биологические процессы, сопровождающиеся фильтрацией, адсорбцией, осаждением, поглощением и трансформацией растениями биогенных элементов и др. соединений. Механизмы удаления загрязнителей различны. Четкое обоснование механизма очистки имеет большое значения для оптимизации технологических параметров проектирования биоплато.
3.1. Механизм удаления органических веществ в биоплато
На поверхности загрузки и корневых органов растения в биоплато образуется биопленка, в которой развиваются различные микроорганизмы, а благодаря особенности поступления кислорода в биоплато образуются многочисленные аэробно-анаэробные зоны. Растворимые органические вещества удаляются в процессе адсорбции, поглощения и деятельности микрооргазмов. Установлено, что при сравнительно низких концентрациях загрязнителей сточных вод, еффективнсть удаления по БПК5 составляет 85...95%, по ХПК – более, чем 80%. БПК5 на выходе составляет 10 мг/л. Эксплуатация сооружений в регионах с низкими температурами (например, в Архангенльске) приводит к снижению эффективности очистки до 50%. При полном соблюдении оптимальных технологических параметров в биоплато происходит полная минерализация большинства органических загрязнений.
3.2 Механизмы удаления азота в сооружениях биоплато
В биоплато азот включается в биотический кругооборот в системе "воздух – вода – растения – почва". Азот частично удаляется из сооружения путем поглощения водными растениями, как необходимый для них биогенный элемент. В результате этого процесса из воды удаляется всего лишь 8 – 16 % азота, что позволяет сделать вывод, что основные процессы, связанные с удалением из биоплато соединений азота, происходят в результате минерализации азотсодержащих органических соединений нитрифицирующими и денитрифицирующими микроорганизмами.
Нитрификация осуществляется под воздействием аэробных микроорганизмов (нитробактерии и азотобактерии), ионы аммония окисляются до нитритов, а затем до нитратов. По мнению Anthnisen образование нитритов является лимитирующей стадией нитрификации, а процесс окисления нитритов до нитратов может оказаться быстрой реакцией. Liu C. X. и Zhang J.Y. на основании собственных исследований констатируют, что первоначально концентрация нитритов в сооружении возрастает, а затем резко снижается. Под воздействием денитрифицирующих бактерией происходит процесс восстановления, в результате чего образуется N2, который вытесняется из системы в атмосферу. По сравнению с традиционными технологиями биологической очистки, когда процессы денитрификации заторможены, биоплато более эффективно удаляет азот из сточных вод. Лимитирующей стадией является процесс нитрификации. При высоком содержании органических веществ (по ХПК и БПК) кислород используется на их окисление, вследствие чего процессы нитрификации не происходят часто в полном объеме. В данном случае положительный результат может быть получен при дополнительной аэрации. Отмечено, что процессы денитрификации происходят интенсивнее при низких показаниях БПК.
3.3. Механизмы удаления фосфора в биоплато
Удаление фосфора в биоплато осуществляется в результате совместных биологических и физико-химических процессов. Фосфор поглощается и трансформируется растениями, а затем частично за счет удаления растений выводится из системы биоплато. Таким путем удаляется незначительная часть фосфора, а остальная часть накапливается в почве. Интенсифицировать этот процесс можно путем изменения окислительно – восстановительного потенциала в сооружениях в зависимости от типа биоплато.
Основным процессом удаления фосфора в биоплато является соосаждение, что повышает роль рН. Результаты исследования показывают, что до 87% фосфора удаляется из сточных вод осаждением и адсорбцией в биоплато. Отмечено, что фосфорсодержащие соединения очень легко абсорбируются и осаждаются в почве с алюминием и железом в нейтральной и кислой среде, а с кальцием в щелочной среде. Обычно считается, что ионы ортофосфата адсорбируются на поверхности алюминия и железа за счет процессов комплексообразования. исследовал соотношения между Mg, Ca, Fe, Al и Р в процессе адсорбции, и показал, что Ca имеет большую способность к адсорбции.
Исследованиями установлено, что для биоплато вертикального типа 22,8% за счет адсорбции,-фосфора удаляется за счет фильтрации, 50...65% за счет-осаждения и ассимиляции микроорганизмами, и только 1%...3% поглощения растениями.
Анализ опубликованных данных позволяет констатировать, что большинство фосфора, содержащегося в сточной воде, адсорбируется на поверхности почвы, причем процесс носит обратимый характер, т. к. со временем происходит десорбция фосфора. По предположению максимальная емкость поглощения фосфора в биоплато обычно не превышает 1г/м2.
3.4. Механизм удаления тяжелых металлов в биоплато
В последние годы биоплато все чаще применяются также для очистки некоторых категорий производственных сточных вод, основными загрязнителями которых являются ионы тяжелых металлов и органические вещества. Исследования Walker проанализировано распределение тяжелых металлов в биоплато и отмечено, что основное количество тяжелых металлов накапливается в слое загрузки. Закономерность удаления тяжелых металлов из биоплато, исследовал Cheng Shuiping, который установил, что эффективность очистки сточных вод, содержащих ионы тяжелых металлов, высокая, а их содержание в очищенной воде ниже нормы, установленной ВОЗ для питьевой воды.
При использовании биоплато для очистки производственных сточных вод уделяется большое внимания вопросам экологической безопасности и в первую очередь токсикологическим критериям очистки, когда создаются оптимальные условия для превращения ионов тяжелых металлов в менее токсичные формы. Показано, что ионы тяжелых металлов наиболее токсичны тогда, когда они находятся в форме обменных соединений, а перевод их в связанное состояние снижает токсичность.
При протекании сточных вод через слои загрузки биоплато, многие ионы тяжелых металлов (Hg, Cd, Cu, As и др.) фиксируются на слое загрузки; при этом происходит ряд сложных процессов адсорбции, комплексообразования, осаждения и других видов физикохимического воздействия. Исследования Scholz M. показано, что в процессе очистки сточных вод, содержащих ионы тяжелых металлов (свинец и медь) последние интенсивно накапливаются в биолато. Отмечено, что эффективность очистки зависит от адсорбирующей способности и окислительно-восстановительного состояния слоя загрузки. Obarska-Pempkowiak H. отмечает, что содержание ионов тяжелых металлов (Mn, Cu, Zn, Cd, Pb, Cr) уменьшается в сточных водах за счет адсорбции их поверхностью загрузки.
Микроорганизмы биопленки загрузки играют первостепенную роль в процессах удаления ионов тяжелых металлов. Механизмы удаления характеризуются большим разнообразием.
Поглощение. В процессе роста микроорганизмов некоторые тяжелые металлы часто поглощаются микроорганизмами, например и принимают участие в различных клеточных процессах. Так, например, медь и цинк участвуют в синтезе ферментов, РНК, ДНК.
Комплекс- и хелатообразование. Многие микроорганизмы выделяют полисахариды, глюкопротеиды, липополисахариды и другие соединения, содержащие фенольные, гидроксильные и активные функциональные группы, которые играют важную роль при комплексообразвании и хелатообразровании с ионами тяжелых металлов.
Осаждение. В процессе роста микроорганизмов выделяются некоторые вещества, которые способствуют осаждению ионов тяжелых металлов. Например, при анаэробных условиях сульфатредуцирующие бактерии восстанавливают сульфат-ионы до Н2S, а последний осаждается в виде нерастворимых сульфидов.
Превращение в менее токсичные формы. Многие ионы тяжелых металлов обладают переменными валентностями и при воздействии микроогранизмов они могут быть переходить в менее токсичные соединения. Например, под воздействием бактерий рода Pseudomonas Cr (VI) восстанавливается до менее токсичного Cr(III). Аналогичный процесс осуществляют и некоторые растения. Так, согласно исследованиям Isabel C. водные растения восстанавливают Cr (VI) до Cr(III), что приводит к снижению токсичности ионов хрома.
Адсорбция микроорганизмами. Анализ литературных данных показывает, что микроорганизмы, имея большую удельную поверхность, хорошо сорбируют ионы тяжелых металлов, поэтому большинство водорослей и микроорганизмов являются хорошими адсорбентами.
Поглощения, трансформации и накопления растениями. Многие растения в биоплато обладают способностью поглощения, трансформации и накопления тяжелых металлов таких, например, как Al, Fe, Ba, Cd, Co, Cr, Cu, Mn, Pb, V, Zn и др. Чем больше биомасса растения, тем лучше результат очистки. Del Rio исследовал способность накопления Pb, Cu, Zn, Cd, Sb и As у 99 видов водных растений. Такие растения, как A. Azurea, B. Vulgaris, C. Fuscatum, C. Arvensis, C. Dactylon, характеризуются большой способностью к поглощению тяжелых металлов и поэтому получили название "растений гипераккумуляторов". У этих растений способность накопления тяжелых металлов в 100 раз выше, чем у обычных растений.
4. Перспективы применения биоплато для очистки сточных вод
Анализ литературных данных и собственные исследования автора позволяют наметить такой круг вопросов для дальнейшего исследования с целью совершенствования очистки в биоплато:
поиск новых видов растений, которые интенсивно поглощают и трансформируют загрязнения сточных вод или переводят их в нетоксичные формы, что облегчает "работу" биопленки;
определение оптимальных технологических параметров биоплато с учетом различных климатических условий;
выяснение механизмов очистки сточных вод в разных конструкциях биоплато
определение путей миграции и превращения загрязнений в системе "почва воздух".
вода – растения – микроорганизмы
Pаботa выполнена при финансовой поддержке Ministry of science and technology PRC , China scholarship council, Кафедры охраны труда и окружающей среды КНУСА (Украина), Совместного китайско-российского научно- исследовательного центра по экологии и охране окружающей среды, Department science and technology Shenyang city, Key laboratory environmental engineering of Shenyang.