Обоснование фитодесалинизации минерализованных вод в фильтрационно-регенерационном биоплато
Фильтрационно-регенерационный биоплато может быть использован для комплексной очистки и попутного безмембранного фитообессоливания минерализованных вод. Деминерализация воды осуществляется путем удаления солей высших водных растений в биоплато и очистки циркуляционно-регенерационной воды с использованием коагулянтов, ферментов, биореагентов и пробиотиков, суспензии природных минералов с электрохимической активацией реагентов. Блок обработки и очистки циркуляционно-регенерационной воды биопластины должен включать флотационный реактор-осветлитель для флотации суспензии, введения дополнительных реагентов и самоочищающийся пенополистирольный фильтр с дозировкой в осветленную воду биореагента, что позволяет стабильно наращивать зеленую биомассу и интенсифицировать солевыделение. Для обоснования возможности одновременного опреснения минерализованных вод с помощью высших водных растений использована фитотехнология фильтрационно-регенерационного биоплато гидропонного типа. Проанализировано, что размещение биоплато в конце технологической схемы позволяет обеспечить глубокую очистку воды от органических и неорганических примесей и восстановить ее природные свойства за счет контакта с высшими водными растениями. Также показано, что установка для обработки и очистки циркуляционно-регенерационных вод биоплато должна включать флотационный реактор-осветлитель для введения дополнительных реагентов и самопромывной пенополистирольный фильтр с дозировкой в осветленную воду ферментов, биореагентов и пробиотиков, что позволяет обеспечить устойчивый прирост зеленой биомассы и интенсифицировать извлечение солей высшими водными растениями.
Введение. Проблема опреснения соленой воды особенно остро стоит во всех странах мира, особенно в районах с ограниченными запасами пресной воды. В настоящее время это страны Центральной Азии, Ближнего Востока, густонаселенные страны Индонезии, Китая, Индии, почти все страны Африки и ряд стран Европы, Америки и США страдают от нехватки пресной воды для сельского хозяйства и водоснабжения и нуждаются в немедленном решении проблемы нехватки чистой воды в ближайшее время. По данным
ООН, дефицит пресной воды в мире ежегодно увеличивается на 13-20 %, и уже в 2050 году более пяти миллиардов человек будут испытывать проблемы с водой [1]. Решение проблемы обеспечения доступа населения Земли к чистой пресной воде является целью всех без исключения стран мира. Существенным направлением решения этой проблемы является использование в питьевом и техническом водоснабжении минерализованных вод после их опреснения до установленных законодательством требований, прежде всего, до концентрации солей не выше 1000- 1500 мг/дм3.
Современное состояние деминерализации соленых вод. Основными методами опреснения воды являются обратный осмос, ионный обмен, выпаривание (дистилляция), электродиализ и их комбинации. В настоящее время наиболее распространенными методами опреснения воды являются обратный осмос и ионный обмен. Реже используются электродиализ и дистилляция. В большинстве случаев ионный обмен позволяет обессолить воду до почти полного извлечения анионов и катионов. Для этого воду последовательно пропускают через катионообменные и анионообменные фильтры и фильтры смешанного действия, загруженные смесью анионита и катионообменника. Количество ступеней фильтрации и тип ионообменного материала определяются глубиной опреснения воды, качественным и количественным составом примесей, а также требованиями к удалению загрязняющих ионов. В большинстве случаев ионный обмен рекомендуется для опреснения солоноватой воды с начальной концентрацией 1500- 2000 мг/дм3 [3], хотя некоторые авторы рекомендуют больше. К преимуществам ионного метода относится высокая надежность опреснения. Недостатками этого метода является большое количество реагентов для периодической регенерации ионообменников, что приводит к сбросу отработанных регенерационных растворов-элюатов с содержанием солей в среднем на 2,0-3,0 больше массы солей, содержащихся в соленой воде [4]. Существенной проблемой является переработка этих растворов, сброс которых в водоемы запрещен.
В последние десятилетия широкое распространение в опреснении воды получило использование мембранных процессов, таких как обратный осмос (гиперфильтрация). Эти процессы снижают содержание солей в минерализованной воде путем фильтрации под давлением через специальные мембраны.
Соли концентрируются в виде концентрата или отправляются на дальнейшую переработку. Давление воды должно быть выше осмотического давления солей в воде, которое увеличивается с ростом концентрации ионов. Например, если осмотическое давление питьевой воды достигает
0. 10 МПа, то для морской воды, содержащей 35 г/дм3 солей, осмотическое давление составляет значительную величину - 2,58 МПа, что требует использования насосов высокого давления. Выход опресненной воды (пермеата) достигает максимум 75% [5]. Многоступенчатая фильтрация используется для повышения эффективности опреснения воды и уменьшения объема отработанных концентратов. При высоких концентрациях солей экономически целесообразно использовать двухступенчатое
обессоливание с использованием обратного осмоса или электродиализа на первой стадии и ионного обмена на второй. Такая комбинированная схема обессоливания позволяет уменьшить количество реагентов и концентрацию выводимых солей.
По сравнению с ионообменной очисткой и опреснением воды, обратный осмос имеет следующие преимущества: непрерывность процесса и меньшее количество реагентов для регенерации мембраны. Однако следует отметить такие недостатки этой технологии, как чувствительность мембран к биологическому обрастанию, коллоидам, тяжелым металлам и органическим примесям, образование осадка нерастворимых солей на поверхности мембран, инкрустация мембран солями жесткости и более высокие затраты электроэнергии. Все это требует тщательной предварительной дезинфекции и очистки воды от шлама, тяжелых металлов и органических примесей, которые могут "отравить" мембраны. Кроме того, для предотвращения осаждения нерастворимых соединений на поверхности мембран в исходную воду добавляются специальные химические вещества (ингибиторы отложений или антигерметики).
В большинстве случаев при значительном опреснении больших объемов морской воды концентрированные растворы солей вместе с антиселентами и промывочными химикатами возвращаются в окружающую среду, что крайне опасно для экологии. Прибрежная ихтиофауна и коралловые рифы особенно страдают от сброса концентратов после гиперфильтрации в морскую воду. В частности, Министерство охраны окружающей среды США установило, что огромное количество установок по опреснению морской воды за год нанесло вред более чем 3,4 млрд. рыб и других организмов морской фауны и причинило экономический ущерб рыбной промышленности страны в размере более 212,5 млн. долларов. За короткий период времени опреснительные установки могут также уничтожить около 90 % планктона [6].
В настоящее время наблюдается тенденция к использованию естественных методов очистки и кондиционирования воды с использованием возобновляемых природных ресурсов, в частности с помощью высших водных растений (ВРВ). Из природных систем очистки воды широкое распространение получают биоинженерные сооружения типа биоплато [7; 8], которые используются для очистки бытовых, промышленных сточных вод, природных вод в водоемах и загрязненных поверхностных стоков. Суть функционирования большинства биоплато заключается в том, что фитоочистка воды в них происходит путем фильтрации воды через корневую систему ГАП, за счет фотосинтеза в растениях с обеспечением их поглотительной, кумулятивной, окислительной и способности синтезировать кислород при биодеградации углекислого газа. Достаточно распространены замкнутые биоплато гидропонного типа (ЗБГТ) [9, 10], в которых корневая система высших водных растений закреплена в пористой (гравийной) фильтрующей загрузке и постоянно омывается водой, движущейся вертикально сверху вниз или снизу вверх.
Наряду с эффективным удалением взвеси, органических примесей, биогенных соединений азота и фосфора, растворимых солей высшие водные растения также удаляют из воды. Так, при использовании водного гиацинта (Eichornia crassipes) наряду с очисткой сточных вод от органических примесей на биофильтре (биореакторе) наблюдалось удаление хлоридов до 32%, сульфатов до 43% [11]. Тростник при урожайности 44 т/га сухого вещества способен накапливать до 419 кг/га калия, 408 кг/га хлоридов, 450 кг/га натрия [12]. На биоинженерных сооружениях типа Constructed Wetlands с использованием высших водных растений эффективность очистки сульфатов достигала 25-30%, а ионов натрия - 10-15% [13].
В то же время в биоплато происходит постепенная коллимация порового пространства фильтрующей засыпки, межкорневого пространства НАП и дренажа биопленкой и минерализованным осадком. Кроме того, происходит постоянное отмирание корней высших водных растений и водорослей, что еще больше засоряет засыпку и дренаж. Эти процессы снижают поступление кислорода и питательных веществ в корневую систему ВАР, что нарушает процессы фотосинтеза, транспирации и фитоочистки воды.
Поскольку такие биополотна не обеспечивают удаление осадка, то начинается его накопление и уплотнение в фильтрационной засыпке и межкорневом пространстве. Начинают протекать анаэробные биологические процессы, в результате чего снижается эффективность извлечения минеральных солей, сорбции и детоксикации органических примесей.
Начинают протекать суффозионные процессы, происходит пептизация многокомпонентных коллоидных примесей и, как следствие, наблюдается вторичное загрязнение очищенной воды, гибнут высшие водные растения, снижается эффективность и производительность биоплатных сооружений.
Как показывают экспериментальные данные, извлечение сульфатов находится на высоком уровне до 144 часов работы сооружений биоплато и составляет 0,404-0,837 мг/ч, затем интенсивность поглощения снижается до 0,121-0,046 мг/ч. [11]. То же самое наблюдается и при удалении хлоридов. Периодическая остановка сооружений для проведения ремонтно-восстановительных работ, связанных с промывкой и регенерацией фильтрующей засыпки и дренажа, необходимых для восстановления работы биоплато, создает стрессовые условия для HAP и отрицательно влияет на последующие процессы фитоочистки.
Эти недостатки биоплато отсутствуют при использовании фильтрационно-регенерационного гидропонного
типа биоплато (FRHTB) [14], которое обеспечивает постоянную промывку фильтрующей засыпки, корневой системы HAP и дренажа. Промывка и регенерация биоплато осуществляется с помощью гидроавтоматизированного дренажа специального среднего дренажа загрязненных циркуляционно-промывных вод из фильтрующей засыпки биоплато и их последующей очистки на самопромывном пенополистирольном фильтре.
Рис. 1. Схема фильтрационно-регенерационного биоплато гидропонного типа (FRHTB) для комплексной очистки и опреснения минерализованных вод
1 - корпус биоплато, 2 - верхний дренаж подачи воды в биоплато, 3 - верхний слой фильтрующей засыпки, 4 - нижний слой фильтрующей засыпки, 5 - средний дренаж сбора и отвода циркуляционно-регенерационной воды, 6 - нижний дренаж сбора и отвода очищенной воды, 7 - насос циркуляционно-регенерационной воды, 8 - коллектор подачи исходной минерализованной воды на очистку, 9 - флотационный реактор-осветлитель, 10 - самопромывной пенный фильтр, 11 - установка гидроавтоматической промывки фильтра, 12 - высшие водные растения (ВВР), 13 - реагентное хозяйство, 14 - осадочный дренаж, 15 - емкость для накопления промывных вод фильтра.
Это позволяет обеспечить самовосстанавливающийся режим работы фитоконструкций биоплато без создания стрессовых условий для роста HAP на биоплато. Благодаря разработанной технологии и конструкции FRHTB режим работы биоплато позволяет, независимо от концентрации загрязнения в исходной воде, цикличности подачи ее на очистку, наличия обслуживающего персонала и в любых климатических условиях добиться более высокого качества и стабильности очистки воды с использованием высших водных растений. Поэтому использование FRHTB для комплексного удаления загрязнений и солей из минерализованной воды может быть перспективным в случае безреагентного и безмембранного опреснения воды.
Целью данной работы является анализ очистки воды на биоплато и обоснование возможности использования фильтрационно-регенеративного биоплато гидропонного типа (FRHTB) для одновременного опреснения минерализованной воды с использованием высших водных растений (ВВД).
Результаты исследований. Для обоснования возможности сопутствующего опреснения минерализованных вод с помощью высших водных растений была использована фитотехнология фильтрационно-регенерационного биоплато гидропонного типа, принципиальная схема которого представлена на рисунке.
Согласно технологической схеме фильтрационно-регенерационного биоплато гидропонного типа (ФРБГТ) фито опреснение и очистка воды осуществляется в несколько этапов Si Основная степень опреснения и очистки воды происходит в самом биоплато (1) за счет использования процессов фотосинтеза в высших водных растениях (ВВР) с поглощением солей и биогенных соединений из воды и накоплением их в биомассе высших водных растений. Так, согласно исследованиям В. Кравеца [15] установлено, что на существующих системах фитоочистки воды с использованием высших водных растений, удаление сульфатов и хлоридов на биоплатофильтрах составляет 58-35 % и 67-49 %, соответственно, в зависимости от структуры биоплато, от времени года и вида высших водных растений. Общее извлечение растворенных солей из минерализованной воды может составлять в среднем 40-55 % от общего солесодержания исходной солоноватой воды с концентрацией солей 2500-3500 мг/дм3.
Дополнительная степень опреснения минерализованной (солоноватой) воды по технологии FRHTB осуществляется путем очистки воды и одновременного извлечения солей из циркуляционных и регенерационных вод биоплато с использованием реагентов и пробиотиков во флотационном реакторе-осветлителе (9) и затем в самопромывном пенном фильтре, которые объединены в единый комплекс водоподготовки [16]. Для очистки и опреснения циркуляционно-регенерационных вод могут быть использованы коагулянты, гидроксиды металлов, фильтрующие материалы и суспензии природных минералов клиноптилолита, кизельгура, бруствера, туфа, бентонита, торфа [17] и их комбинации.
При использовании коагулянтов гидроксохлорида алюминия с алюминатом натрия для очистки минерализованных вод
с концентрацией сульфатов 500-700 мг/дм3 степень очистки от сульфатов достигает 83-88 % [18]. Гидроксиды магнетита, железа и алюминия, полученные путем электролиза с использованием металлических анодов, известного как процесс электрокоагуляции, обладают высокими сорбционными свойствами по отношению к растворенным солям. Полученные авторами экспериментальные данные показывают, что при электрокоагуляции степень извлечения хлоридов из минерализованной солоноватой воды достигает 13-15 %, а сульфатов - 20-31 % и более вследствие высокой сорбционной способности гидроксидов металлов в момент их образования после ионизации металлических анодов действием электрического тока или внутреннего электролиза металлической стружки [19; 20]. Пробиотики [21] и активированные природные суспензии на основе цеолита (клиноптилолита) и других природных минералов или их комплексных смесей [22] дозируются в исходную воду для интенсификации процессов фотосинтеза в HAP с обеспечением постоянного прироста зеленой биомассы в биоплато.
Активация природной суспензии цеолита может осуществляться эффективными микроорганизмами-ферментами, пробиотиками и католитом, полученным в катодной зоне мембранной ячейки [19; 20], или комплексной активацией [23]. Суспензионная активация обеспечивает более интенсивное накопление цеолитом и другими природными фильтрационными материалами и суспензиями биогенных соединений азота и фосфора и стимулирует интенсивный рост корневой системы ББП, что способствует фотосинтезу и иммобилизации солей высшими водными растениями.
Технологическая схема очистки и одновременного опреснения минерализованной воды в ФРВТБ работает следующим образом.Минерализованная вода через коллектор (8) подается в биоплато (1) и через верхний дренаж (2) равномерно распределяется в верхнем слое фильтрующей засыпки (3), где находится наиболее активная зона всасывания корневой системы высших водных растений (12).
Благодаря постоянному контакту высших водных растений с водой, происходит активный массообмен между водой и корневой системой ВАР, фотосинтез в биоплато протекают сложные биохимические процессы преобразования органических и минеральных примесей, присутствующих в воде, поглощение растворенных солей биомассой растений. Затем вода фильтруется сверху вниз через слои фильтрующей засыпки (3, 4), равномерно собирается через зону фильтрации нижним дренажом (6) и отводится по назначению.
В процессе движения воды в слоях фильтрующей засыпки и корневой зоне растений биопластины происходит постоянное накопление пленки активного ила, микроскопических водорослей, взвешенных минеральных и органических примесей, что приводит к засорению слоев засыпки и дренажа. Увеличивая гидравлическое сопротивление фильтрующих слоев, начинают происходить суффозионные процессы, что приводит к снижению качества очищенной воды.
Для предотвращения этого процесса часть загрязненной воды удаляется из верхнего фильтрующего слоя с помощью
среднего дренажа (5), что обеспечивает постоянную регенерацию верхних слоев фильтрующей засыпки и корневой системы БВП. Первоначально загрязненная циркуляционная и регенерационная вода направляется для дальнейшей очистки в флотационный реактор-осветлитель (9), куда также подаются реагенты для коагуляции и сорбции взвеси и извлечения растворенных солей, а также сжатый воздух для флотации взвеси и насыщения воды кислородом. Образовавшийся осадок и взвесь периодически выводятся из реактора-осветлителя (9). Очистка осветленной воды от шлама осуществляется на фильтре из вспененного полистирола (10). Засыпка фильтра периодически, по мере его засорения, промывается в гидроавтоматическом режиме с помощью специального сифонного устройства (11). Промывная вода собирается в емкость (15) и вместе с циркуляционно-регенерационной водой направляется на очистку во флотационный осветлитель (10). При необходимости в очищенную циркуляционно-регенерационную воду после пенополистирольного фильтра можно дозировать растворы пробиотиков, ферментов и суспензии эффективных микроорганизмов. После очистки в биофлотационном осветлителе-реакторе (9) и в самопромывном полистирольном фильтре (10) циркуляционно-регенерационные воды смешиваются с потоком солоноватой воды и подаются в "голову" биоплато (1).
Таким образом, оборотно-регенерационная вода в течение суток, циркулируя через верхний слой фильтрующей засыпки (3) биоплато, многократно промывает корневую систему БВП, что обеспечивает их постоянную промывку и позволяет стабилизировать процесс очистки и деминерализации солоноватой воды в технологии FRHTB.
В зависимости от степени загрязнения и минерализации воды комплексный блок FRHTB может работать в нескольких комбинированных вариантах, в соответствии с заданными режимами работы системы очистки и фитодезодорации. При относительно высоких концентрациях загрязнений и минеральных солей весь поток воды может подаваться непосредственно во флотационный реактор-осветлитель (9) и самопромывной пенополистирольный фильтр (10) для предварительной очистки и опреснения перед биоплато совместно с циркуляционно-регенерационной водой. При относительно средних концентрациях загрязнений вода может быть разделена на два потока, один из которых поступает непосредственно в биоплато, а другой смешивается с оборотной водой и очищается в осветлителе-реакторе и фильтре. Соотношение потоков определяется такими параметрами, как концентрация загрязняющих веществ, режим подачи воды на очистку, требования к качеству очищенной и опресненной воды, а также конструкция биоплато.
Режимы работы установок биоплато FRHTB также определяют типы реагентов, активированной природной суспензии, эффективных ферментов и пробиотиков, которые будут дозироваться или синтезироваться с помощью фермы реагентов (13). Это позволяет регулировать свойства воды или
изменять их в направлении, необходимом для потребителя очищенной воды, а также очищать воду в любых климатических условиях. В частности, с помощью реагентов можно удалять особо токсичные примеси (тяжелые металлы, сложные органические примеси промышленного характера), проводить кондиционирование очищенной воды.
Биоплато FRHTB может быть частью общей комплексной схемы физико-химической технологической схемы очистки воды. В этом случае биоплато может быть размещено в начале или в конце общей схемы очистки загрязненной воды. Если вода содержит высокие концентрации легкоокисляемых органических и минеральных примесей и требует глубокого снижения минерализации, то биоплато целесообразнее размещать в начале технологической схемы. Это позволяет удалить на биоплато основную массу органических и особо токсичных минеральных загрязнений и снизить концентрацию солей, а на следующем этапе добиться глубокой очистки осветленной воды. Размещение биоплато в конце технологической схемы позволяет обеспечить глубокую очистку воды от органических и неорганических примесей и восстановить ее природные свойства за счет контакта с высшими водными растениями.
Выводы.
Анализ возможности фитодизелирования минерализованных вод в фильтрационно-регенерационном биоплато типа FRHTB показывает:
1. Биоплато на основе технологии FRHTB может быть использовано для гидроавтоматизированной очистки и одновременного безмембранного фитодезодорации минерализованных вод. Фитодесалинизация минерализованной воды в FRHTB осуществляется путем извлечения солей высшими водными растениями в биоплато и очистки оборотной регенеративной воды с помощью коагулянтов, магнетита, гидроксидов металлов, суспензий природных минералов с дополнительной электрохимической активацией реагентов.
2. Установка для обработки и очистки циркуляционно-регенерационных вод биоплато должна включать флотационный реактор-осветлитель для внесения дополнительных реагентов и самопромывной пенополистирольный фильтр с дозировкой в осветленную воду ферментов, биореагентов и пробиотиков, что позволяет обеспечить устойчивое увеличение зеленой биомассы и интенсифицировать извлечение солей высшими водными растениями.
3. Расчеты показывают, что при индивидуальном использовании ФРГТБ общая деминерализация солоноватой воды с начальной концентрацией солей 2500-3500 мг/дм3 может достигать до 40-60 % в зависимости от конструкции ФРГТ при обеспечении необходимой степени рециркуляции-регенерации воды.
4. Следующим этапом работы является моделирование процесса комплексной очистки и сопутствующего фитообессоливания солоноватой воды по технологии FRHTB и определение основных параметров функционирования объектов технологической схемы в зависимости от степени рециркуляции воды и концентраций загрязняющих компонентов.