Биоплато как способ доочистки дренажных вод города и сточных вод промышленных предприятий

УДК 574.64

БИОПЛАТО КАК СПОСОБ ДООЧИСТКИ ДРЕНАЖНЫХ ВОД ГОРОДА И СТОЧНЫХ ВОД ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ

М.Л. КАЛАЙДА, Л.К. ГОВОРКОВА, С.Д. ЗАГУСТИНА, М.Ф. ХАМИТОВА Казанский государственный энергетический университет

Проведены исследования по оценке эффективности очистки поверхностных сточных вод, протекающих по территории зоны подтопления г. Казани, которая является естественным биоплато. Изучены состав водно-воздушной растительности биоплато, химический и микробиологический состав вод на водовыпуске насосной станции - начале канала биоплато и в конце канала биоплато перед сбросом воды в р. Волга. Показано, что использование естественных биоплато в очистке загрязненных поверхностных сточных вод города - эффективно. Разработана математическая модель и компьютерная программа, отражающая процесс очистки сточных вод с помощью высших водных растений.

Ключевые слова: очистка, загрязненные сточные воды, загрязняющие вещества, тяжелые металлы, концентрации, биоплато, водные растения, бактерии, математическая модель, компьютерная программа.

Очистка загрязненных сточных вод - одна из наиболее приоритетных экологических проблем, решение которой должно относиться к числу первоочередных в Республике Татарстан. Проблема очистки загрязненных сточных вод в литературе рассматривается с разных позиций [1,2,3,4,5]. На улучшение качества вод в регионе направлена и Федеральная целевая программа «Оздоровление экологической обстановки на р. Волге и ее притоках, восстановление и предотвращение деградации природных комплексов Волжского бассейна» («Возрождение Волги»), рассчитанная на 15 лет (1996 - 2010 гг.) [4]. В соответствии с этой программой настоящий период относится к третьему этапу, в течение которого намечено коренное улучшение экологической обстановки на Волге и ее притоках, предотвращение деградации природных комплексов Волжского бассейна за счет широкого внедрения ресурсосберегающих технологий, высокоэффективных методов и средств очистки сточных вод.

Как проблема, имеющая особую значимость, очистка сточных вод и создание систем оборотного водоснабжения включена в «Программу энергосбережения и ресурсоэффективности в Республике Татарстан до 2010г.» и обсуждается на совещаниях и конференциях. В технологиях очистки промышленных сточных вод важной составляющей в настоящее время становится доочистка, которая позволяет улучшить качество вод до нормативного. Поскольку ресурсы водоемов используются в различных народнохозяйственных целях, в последний период в составе концепции охраны водных ресурсов водохранилищ природопользование предлагается как форма охраны водоемов и природных ресурсов [3]. Охрана водных ресурсов в концепции сводится к трем основным направлениям: предотвращение загрязнения (качественное истощение); предотвращение количественного истощения; сохранение определенного внутригодового распределения. В концепции рационального использования и охраны водных объектов, разработанной А.Б.Авакяном (1994) [1], предлагается совершенствование функциональной структуры акваторий и береговых зон водоемов.

© М.Л. Калайда, Л.К. Говоркова, С.Д. Загустина, М. Ф. Хамитова Проблемы энергетики, 2009, № 7-8

Отведение промышленного стока на водоочистные сооружения в пределах населенных пунктов технически выполнимо, а сбор сточных ливневых вод с территорий дренажных насосных станций, автодорог и мостов или отведение сточных вод с территорий предприятий, стоящих отдельно, достаточно проблематичны.

Положения рассмотренных концепций и проблема очистки вод города и отдельно стоящих предприятий могут быть решены путем применения биогидроботанического метода для очистки сточных вод в водоемах - зонах тяготения промышленных предприятий и крупных городов.

Биогидроботанический способ находит все более широкое применение в очистке сточных вод, при которой основную функцию очистки выполняет высшая водная растительность [6,7,8,9,10]. Особые сложности доочистки промышленных сточных вод возникают в связи со сложным химическим составом стоков, которые часто обладают повышенной кислотностью. Поэтому выбор видов водной растительности, специфично взаимодействующих с производственными сточными водами в конкретных условиях, является актуальным. Существующие в настоящее время биоплато разработаны в соответствии с конкретными условиями регионов и на базе конкретных предприятий.

Проблема очистки и доочистки сточных вод перед их попаданием в р.Волга остро стоит и для города Казани. Поскольку, в связи с созданием Куйбышевского водохранилища, возникла необходимость в устройстве сооружений инженерной защиты города, имеется ряд дренажных насосных станций и насосных станций перекачки поверхностных дождевых и талых вод в Волгу. Воды, собираясь для перекачки в Волгу, загрязняются различными веществами, попадающими с поверхностным стоком. В связи с этим их доочистка перед сбросом в Волгу становится важной составляющей частью природоохранной деятельности.

Нами были проведены исследования по оценке эффективности очистки поверхностных сточных вод, протекающих по территории зоны подтопления г. Казани, которая является естественным биоплато. Были изучены состав водно-воздушной растительности биоплато, химический и микробиологический состав вод на водовыпуске насосной станции - начале канала биоплато (ст.1) и в конце канала биоплато (ст.2) перед сбросом воды в р.Волга. Воды по каналу биоплато общей протяженностью 2,5 км протекают самотеком. Для сравнения отбирались пробы: из регулирующего бассейна - ёмкости-накопителя сточных вод перед сбросом в канал биоплато и в р.Волга в месте сброса воды из канала биоплато.

Основу воздушно-водной растительности естественного биоплато составили камыш озерный и рогоз узко- и широколистный, которые входят в состав самых распространенных растений водно-болотного комплекса региона. Эти виды относятся к одним из наиболее перспективных для очистки воды [10].

Жизнедеятельность водных бактерий лежит в основе важных процессов, обуславливающих качество воды и процессы самоочищения, которые используются в биоплато. Микробиологические показатели хорошо отражают уровень эвтрофикации водоема. Из них общее количество бактерий является относительно стабильным показателем, характеризующим состояние водоема. Изучение динамики развития бактериопланктона позволяет проследить изменение качества вод. При исследовании санитарного состояния воды и грунта в изучаемом районе были определены: общее микробное число, количество колиформных бактерий в пробах воды и грунта, оценена степень загрязнения воды и грунта по микробиологическим характеристикам. Исследования воды и

грунта проводились стандартными методами. Учет микроорганизмов грунта, выросших на плотных питательных средах, проводился через 48 часов для учета сапрофитной микрофлоры и через 7 суток для учета микроскопических грибов. Определение количества микроорганизмов грунта проводили на 1 г абсолютно сухой почвы.

Результаты исследования гидрохимических показателей воды показаны на рис. 1.

Медь

0,01 0,008

3 0,006 и

0,004 0,002 о

0,008

0,002 0,001

Ш

Ст,1 Ст.2 ПДК рыбохоз.

Ст.1 Ст.2 ПДК н) рыбохоз. Нитраты

50

40

и 20 10

о

40

2,4 2,5

0,40

0,30

£ 0,20

и

0,10

0

0,36

Железо

0,06 «£•

ни

0,1 1

0,08 -

-5 0,06 -

0,04

и

0,02

Ст.! Ст.2 ПДК рыбохоз.

ПДК рыбохоз.

Ст.1 Ст.2 ПДК

рыбохоз.

Д)

Рис. 1. Изменение концентраций меди (а), железа (б), фосфатов (в), нитритов (г) и нитратов (д) в воде начала (ст.1) и конца (ст.2) канала биоплато

Как видно из данных рис. 1, происходит эффективная очистка поверхностных загрязненных сточных вод при их протекании по биоплато. Так, отмечается снижение концентрации до ЦДКрыбохоз. по меди, железу и фосфатам (рис. 1, табл. 1). В биоплато большинство органических веществ, содержащихся в сточных водах в виде растворенных и нерастворенных веществ, разлагается до углекислого газа и воды [6, 7, 9, 10]. Отмечается высокая эффективность удаления биогенных элементов [5, 7] и токсичных металлов [8, 9, 10] из воды. Растения используют биогенные вещества на построение собственной массы. В прикорневой системе создаются условия, способствующие лучшему поглощению веществ. В результате этих процессов происходит процесс очистки водной среды.

Таблица 1

Значение концентраций ряда загрязняющих веществ

Загрязняющие вещества Концентрация загрязняющих веществ

Начало канала - биоплато Конец канала - биоплато

Медь 8 2

Железо 3,6 0,6

Фосфаты 1,3 1,2

Нитриты 0,6 0,08

Нитраты 0,08 0,06

Отметим, что поглощение растениями элементов характеризуется видовой специфичностью и может достигать довольно существенных величин. Наибольшая аккумулирующая способность тяжелых металлов отмечена у погруженных растений [9], среди которых по интенсивности накопления выделяются харовые водоросли, элодея, роголистник, рдесты, уруть. По данным Т.Ф. Микряковой [9] погруженные растения накапливают тяжелые металлы в 10 раз интенсивнее водно-воздушных. Некоторые растения аккумулируют эти соединения избирательно. Так, ряска накапливает достаточно много бора, харовые водоросли - медь, тростник - ртуть [6]. Интенсивность поглощения токсичных соединений зависит от времени года и развития растений; наибольшее содержание элементов наблюдается в период их интенсивного роста, а наименьшее - осенью [6].

Результаты микробиологического исследования проб воды и грунта приведены в табл. 2 и 3.

Таблица 2

Микробиологические показатели проб воды

Показатели Регулирующий бассейн Начало канала биоплато Конец канала биоплато Допустимый уровень

Общее микробное число, КОЕ/100мл 50210-51000 307-400 38-45 50

Количество общих колиформных бактерий, КОЕ/100мл 16000-18000 508-640 198-245 500

Термотолерантные колиформные бактерии, КОЕ/100мл - 359 99 100

Колифаги, БОЕ/100мл - 3,7 0,3 10

Как видно из данных табл.2, по всем микробиологическим показателям наиболее загрязненными оказались воды из регулирующего бассейна - емкости-накопителя сточных вод. Общее микробное число в этом месте варьировалось в © Проблемы энергетики, 2009, № 7-8

пределах 50210 - 51000 КОЕ/100мл. Из них количество общих колиформных бактерий составило 16000 - 18000 КОЕ/100мл.

Превышение содержания количества бактерий допустимого уровня свидетельствует о наличии в водах регулирующего бассейна большого количества органических веществ или попадания в них бытовых сточных вод. Повышенное содержание колиформных бактерий говорит о поступлении в воду фекального загрязнения, о незавершенных процессах самоочищения или о несоблюдении требований к очистке сточных вод. Вода из емкости-накопителя должна пройти обязательную очистку перед ее сбросом в р.Волга.

При перекачивании воды из регулирующего бассейна в канал биоплато вода аэрируется. Как видно из данных табл.2, в начале канала биоплато и его конце содержится значительно меньшее количество бактерий, чем в регулирующем бассейне. Это свидетельствует об идущих процессах самоочищения воды. В конце канала биоплато микробиологические показатели качества вод находятся в пределах допустимых норм.

Проведенный анализ выявил значительное загрязнение грунтов в емкости-накопителе сточных вод (табл.3). Об этом свидетельствуют как общее микробное число и количество бактерий группы кишечной палочки, так и численность грибов разных видов. Накопление органических загрязнений в регулирующем бассейне свидетельствует о необходимости его периодической очистки.

Таблица 3

Микробиологические показатели проб грунта

Показатели Регулирующий бассейн Начало канала - биоплато

Общее микробное число, кл/гр 16050-16153 52300-58666

Количество разных видов грибов, кл/гр 43580-43846 33500-34666

Количество бактерий группы кишечной палочки, кл/гр 1680050-1723076 258070-266666

Проведенное исследование показало высокую эффективность использования естественных биоплато в очистке загрязненных поверхностных сточных вод города. Устройство систем биологической очистки по типу аэротенков или биофильтров является практически нереализуемой задачей как с экономических, так и технических позиций в рассмотренных условиях. Использование имеющихся площадей биоплато в зоне естественного подтопления позволяет не только эффективно очистить воду, но и технически решить проблему сбора и отведения загрязненных поверхностных вод. Введение в эту задачу составляющей ландшафтного дизайна позволяет улучшить эстетическое восприятие прибрежной полосы р.Волга, создавая живописную «реку - канал», например, вдоль дороги.

Включение в практику использования биоплато ставит задачи оценки параметров его работы и расчетных характеристик, таких как: начальные параметры качества воды и нормативные показатели качества по конкретным загрязняющим веществам, длина канала биоплато, плотность его заполнения водными растениями и т.д. Для реализации поставленной задачи нами была разработана математическая модель и компьютерная программа, отражающая процесс очистки сточных вод с помощью высших водных растений (рис.2).

Для расчета параметров биоплато необходимо задать параметры воды на входе и выходе: концентрации загрязняющих веществ, расход воды, скорость течения в канале; некоторые параметры водного растения: вид водного растения,

удельную площадь, коэффициент диффузии загрязняющих веществ через поверхность растения [2] и провести пошаговый расчет.

Рис. 2. Окно компьютерной программы очистки сточных вод на основе использования

высших водных растений

Разработанная математическая модель позволяет рассчитать оптимальные параметры очистки загрязненной воды в канале биоплато: виды высших водных растений, их плотность посадки, время очистки сточных вод при исходных фактических концентрациях загрязняющих веществ до заданных значений, концентрации загрязняющих веществ в самом водном растении.

Summary

There the researches were held to evaluate the efficacy ofpurification of surface sewage water, flowing through the territory of zone flooding that is natural bioplato. the composition of water-air vegetation, chemical and microbiological composition of water in the water-release of pump station were studied - at the beginning of channel of bioplato and at the end of the channel of bioplato before throwing the water in to the river Volga. It is shown that the use of natural bioplato in purification of polluted surface sewage water of the town is effective. The mathematical model and computer program reflecting the process of puritication the sewage water with the use of supreme water plants were worked out.

Key words: the clearing, the polluted sewage, polluting substances, heavy metals, concentration, a bioplato, water plants, bacteria, mathematical model, the computer program.

Литература

1. Авакян А.Б. Концепция использования водных объектов // Вода: Экология и технология / Материалы международного конгресса. М. 1994. Т.1. С.67-77.

2. Калайда М.Л., Загустина С.Д. Биогидроботаническая площадка -перспективное сооружение для доочистки вод // Труды V международной научной конференции «Инновации в науке и образовании-2007». Калининград: Калининградский государственный технический университет. 2007. В двух частях, Ч. 1. С.443.С. 138-141.

3. Петров Б.Г. Куйбышевское водохранилище. Географические аспекты водоохранных мероприятий. М.: Экопресс, 2004. 320 с.

4. Лукьяненко В.И. Концептуальные основы эколого-рыбохозяйственного блока ФЦП «Возрождение Волги»: Материалы VII съезда Гидробиологического общества РАН, Казань: Полиграф, 1996. 232 с.

5. Майстеренко Ю.Г., Денисова А.И., Багнюк В.М., Арямова Ж.М. К роли высшей водной растительности в накоплении органических и биогенных веществ в водоеме // Гидробиологический журнал. 1969. Т.5. №6.

6. Гигевич Г.С., Власов Б.П., Вынаев Г.В. Высшие водные растения Белоруссии. Минск: БГУ, 2001. 290 с.

7. Гигевич Г.С., Жуховичцкая А.Л., Оношко М.П., Генералова В.А. Экспериментальное изучение поглощения биогенов высшими водными растениями // Прикладная лимнология: Сб. научных статей. Минск: БГУ, 2000. 108 с.

8. Гоготов И.Н. Аккумуляция ионов металлов и деградация поллютантов микроорганизмами и их консорциумами с водными растениями // Экология промышленного производства. 2005. №2. С. 33-37.

9. Микрякова Т.Ф. Накопление тяжелых металлов различными видами высших растений // Тез. докл. 5-й Всерос. конф. по водным растениям «Гидроботаника 2000». Борок, 2000.

10. Савельева Л.С., Эпов А.Н. Очистка сточных вод на биоплато // Экология и промышленность России. Август 2000. С. 26-28.

Поступила в редакцию 15 мая 2009 г.

Калайда Марина Львовна - д-р биол. наук, доцент, профессор, зав. кафедрой «Водные биоресурсы и аквакультура» Казанского государственного энергетического университета. Тел. 8 (843) 519-4353. Е-шаИ: kalayda@mi.ru.

Говоркова Лада Константиновна - канд. биол. наук, доцент кафедры «Водные биоресурсы и аквакультура» Казанского государственного энергетического университета. Тел. 8 (843) 519-4353; 8 (843) 518-10-51. Е-шаП: lgovorkova@mail.ru.

Загустина Светлана Дмитриевна - ассистент кафедры «Водные биоресурсы и аквакультура» Казанского государственного энергетического университета. Тел. 8 (843) 519-43-53; 8 (843) 526-2155; 8-917-2726329. Е^Ц: svetlana-zag@bk.ru.

Хамитова Мадина Фархадовна - студентка кафедры «Водные биоресурсы и аквакультура» Казанского государственного энергетического университета. Тел. 8 (843) 519-43-53.