Очистка воды в фильтрационном-регенерационном биоплато
Приведен сравнительный анализ результатов исследования эффективности глубокой доочистки воды в фильтрационно-регенерационных биоплато гидропонного типа и биоплато других конструкций.
Показано, что применение среднего дренажа для постоянной промывки циркуляционно-промывочными водами фильтровальной засыпки корневой системы растений и дренажа биоплато и гидроавтоматической очистки циркуляционно-промывных вод позволяет обеспечить самовосстанавливающийся режим работы комплекса очистных сооружений. Фильтрационно-регенерационные биоплато предоставляют возможность независимо от их производительности, и климатических условий использования достичь более высокого качества и стабильности очистки воды.
Фильтрационные биоплато, как сооружения для очистки и доочистки хозяйственно-бытовых, производственных сточных вод, поверхностного стока в последние годы приобретают широкое распространение. их преимуществом является то, что они практически не требуют затрат электроэнергии и химических реагентов, значительного эксплуатационного обслуживания и обеспечивают высокое качество очистки воды от широкого спектра загрязняющих веществ органического и минерального характера.
В системе биоплато протекают сложные взаимосвязанные аэробно-анаэробные процессы, которые сопровождаются фильтрацией, сорбцией, поглощением и трансформации растениями и микроорганизмами различных соединений и элементов. Основной механизм очистки воды на биоплато состоит в жизнедеятельности гетеро и автотрофных организмов. Гетеротрофы, которые представлены в первую очередь бактериями, простейшими, поглощают из водной среды неорганические и органические вещества и раскладывают их в простейших соединеньях (углекислоты, воды, биогенных веществ и т. д.). Автотрофы, представленные выше водными растениями и водорослями (ВПР), поглощают из воды ряд неорганических элементов, биогенные вещества, углекислоту и используют их при построении собственного тела, создавая из них органическое вещество путем фотосинтеза.
В качестве высшей водной растительности-макрофитов используют рогоз широколистный, камыш озерный, сусак, стрелолист, элодея, лилия водяная, аир болотный, вольфия бескорневая, рдест и другие, которые могут плавать на поверхности и в толще воды, или могут быть погружены в почву водоема.
Положительным фактором, существенно влияет на очистку, является образование на поверхности фильтровальной засыпки биоплато и корневой системе растений биопленки, где развиваются различные микроорганизмы в виде иммобилизованного бактериальной среды, благодаря деятельности которого эффективно разлагаются и изымаются органические вещества и различные токсические соединения [1, 2; 3].
Такие фильтрующие биофитотехнологии позволяют извлекать из воды биогенные и неорганические элементы (азот, фосфор, калий, кальций, магний, серу), тяжелые металлы (кадмий, медь, свинец, цинк), анионы солей (хлориды, сульфаты, нитраты), различные органические вещества (фенолы, нефтепродукты, поверхностно-активные вещества (ПАВ), продукты жизнедеятельности живых организмов, растений и т. п.), бактериологические загрязнения.
Чаще всего используются биоплато с открытым зеркалом воды в странах с теплым и умеренным климатом. В зависимости от региона и вида растений степень очистки воды от загрязнений может составлять значительную величину. В частности, по данным исследований в Великобритании среднее процентное уменьшение концентраций загрязняющих веществ в хозяйственно-бытовых сточных водах составляет 48% для БПК, 83% для взвешенных веществ, 51% для общего азота, 13% для фосфора, 99% для патогенных микроорганизмов. В США степень очистки бытовых сточных вод с использованием водного гиацинта по БПК5 достигает 97-98%. В Китае эффективность очистки воды от серебра, взвешенных веществ, соединений фосфора и азота, соответственно составляла 100%, 91%, 54% и 93%, при этом БПК и ХПК уменьшались на 98% и 91%. Несколько меньше снижалась концентрация хлоридов и сульфатов (до 60%), а также солей жесткости и тяжелых металлов (до 37%). Биоплато эффективно используются для очистки хозяйственно-бытовых сточных вод и поверхностного стока в Нидерландах, Японии, Норвегии, Австралии и других странах [4; 5, 6; 7, 8].
Однако в регионах с теплым климатом в открытой воде биоплато могут размножаться вредные насекомые (включая личинки малярийного комара). При попадании нефтепродуктов открытое зеркало воды блокируется пленкой, препятствует процессам биологической очистки и аэрации водоемов. В таких биоплато не обеспечивается эффективное удаление тяжелых металлов, мышьяка, диоксинов, остатков лекарств, пестицидов, ПАВ, поскольку они только частично накапливаются в биомассе ВПР. Наличие открытого зеркала воды на биоплато также является причиной образования вредных аэрозолей и неприятных запахов. При наличии в открытых биоплато патогенных микроорганизмов они могут разноситься водоплавающие птицами, насекомыми, водными животными.
В открытых биоплато не обеспечивается регулирование процессов массообмена, газонасыщения и аэрации воды, не удаляются минерализованный ил и осадок. Это приводит к кольматации систем дренажа, фильтровальной засыпки, накопления ила в донной части сооружений, развития анаэробных процессов, становится причиной вторичного загрязнения воды и значительного снижения эффективности очистки от загрязнений. Кроме того, в регионах с умеренным климатом в осенне-зимний период вследствие снижения температуры эффективность работы открытых биоплато снижается в среднем на 30-40%.
В Институте гидробиологии НАН Украины исследованы открытые биоплато различных конструкций для очистки воды, которые показали высокую эффективность. В частности, как сооружения для доочистки воды, были использованы каналы, по которым транспортируется вода из Днепра для водо-обеспечения таких регионов, как Крым, Донбасс [9]. Широкое исследование и внедрение таких сооружений выполняется в Институте экологических проблем (г. Харьков) [10]. В Государственной экологической академии последипломного образования и управления (г. Киев), разработаны биоплато с плавающей засыпкой в виде специальных плотов с высаженными в них ВПР, в частности, рогозом широколиственных и аиром болотным, которые позволяют достаточно эффективно очищать воду от нефтепродуктов, жиров, ЮАР, биогенных соединений азота и фосфора, взвешенных веществ [11]. В этих сооружениях применены комбинированный горизонтально-вертикальное движение воды, позволяет регулировать скорость фильтрования, увеличить продолжительность контакта загрязнений с корневой системой
ВВР улучшить сорбцию различных загрязнений.
В научно-инженерном центре «Потенциал-4» (г. Киев) предложено закрыты фильтрационные биоплато гидропонного типа (ЗБГТ) [12]. В них уровень воды находится ниже верхнего уровня засыпки, в которой высажены ВПР, и их корневая система постоянно омывается водой, движется вертикально сверху вниз или снизу вверх.
ЗБГТ объединяет основные элементы очистки с использованием иммобилизованной микрофлоры на инертной засыпке и высших водных растениях с водоотводом обратных доочищенных вод в водоем непосредственно или через поток грунтовых вод. Особенностью ЗБГТ является регулирование качества воды с помощью искусственно созданного гидробиоценозу, характеристики компонентов которого формируются под непосредственным воздействием ВПР без открытого зеркала воды. Одним из вариантов ЗБГТ такого типа является утепленные биоплато, в зоне зеркала воды или под / над засыпкой которых размещаются термоизоляционные волокнистые материалы. Это позволяет рекуперировать тепло сточных вод и использовать ЗБГТ в регионах с умеренным климатом и в зимний период.
В то же время, в таких ЗБГТ происходит постепенная кольматация корневой системы ВПР, порового пространства фильтровальной засыпки и дренажа биопленкой и минерализованным осадком, накопления ила в донной части сооружений, снижение поступления кислорода и питательных веществ к корневой системе ВПР, что может приводить к снижению эффективности работы сооружений, пептизации осадка и вторичного загрязнения воды. Поскольку в ЗБГТ не обеспечивается удаление осадка, то по мере его уплотнения в засыпке начинают протекать анаэробные биологические процессы, в результате чего уменьшается сорбция и детоксикация токсичных примесей. Для восстановления работы биоплато необходима периодическая их остановка на ремонтно-восстановительные работы, связанные с регенерационной промывкой фильтровальной засыпки, корневой системы ВПР и дренажа.
Целью данной работы является разработка и исследование фильтрационно-регенерационных биоплато гидропонного типа (ФРБГТ), в которых реализуется постоянная промывка и регенерация фильтрующей засыпки, корневой системы ВПР и дренажа, обеспечивает глубокое удаление различных загрязнений из вод многокомпонентного состава, улучшение массообмена и аэрации корневой системы ВПР, стабильную и непрерывную работу комплекса сооружений и повышение надежности их функционирования в различных климатических условиях.
Фильтрационно-регенерационные биоплато гидропонного типа (ФРБГТ-1), в которых уровень воды находится ниже верхнего уровня фильтрационной засыпки, исследовались на сооружениях очистки коммунальных сточных вод г. Кварц и в г.Каменка-Бугская. Усредненный состав исходной сточной воды перед биофитоочиской приведены в таблице
Таблица 1
Усредненный состав исходной сточной воды перед биофитоочисткой
Биоплато (ФРБГТ-1) состояло из прямоугольного железобетонного резервуара (1) шириной 13 м, длиной 50 м и глубиной 2,6 м, в котором размещена двухслойная фильтровальная засыпка (2, 15). Верхний слой фильтровальной засыпки (2) состоял из мытого гранитно- базальтового щебня фракции 35-50 мм, нижний слой (15) с мытого гранитно-базальтового щебня фракции 10-25 мм. Толщина всех слоев фильтровальной засыпки составляла 2100 мм, в которой верхний фильтрующий гранитно-базальтовый слой составлял 1400 мм.
В толще фильтрующей засыпки (2 и 15) было смонтировано верхний (6), средний (5) и нижней (4) дренажи, которые размещались равномерно по всей площади резервуара. Верхний дренаж (6) распределения исходной воды размещался в прикорневой системе высших водных растений-макрофитов и влаголюбивые деревьев (ВПР) (8) и подключался к трубопроводу подачи воды на очистку (1), а также к трубопроводу циркуляционно-промывных вод и коллектора (трубопровода) осветленных промывных вод самопромывного пенополистирольного фильтра. Нижний дренаж (4) для сбора и отвода очищенной воды размещался на дне резервуара в нижней части фильтровальной засыпки. Средний дренаж (5) для сбора и отвода циркуляционно-промывных вод размещался в фильтровальной засыпке между верхним и нижним дренажами.
В качестве ВПР использовались ива энергетических пород (40- 45%), тростник (30-35%), рогоз широколистный (15-10%), мискантус (10- 5%), аир и другие высшие водные растения-самосевы (5%), корневая система которых содержалась в верхней части фильтровальной засыпки (2).
Самоочищающийся пенополистирольный фильтр (11) для фильтровальной очистки циркуляционно-промывных вод был выполнен в виде цилиндрической стальной емкости диаметром 2800 м, высотой 5800 мм, в которой размещалась фильтровальная засыпка из гранул вспененного полистирола толщиной 1300 мм. Фильтр оборудован устройством (12) для биологической промывки фильтровальной засыпки. Промывочная вода фильтра накапливалась и отстаивалась в двух осветлителях(13) диаметром 2000мм общим объемом 13 м3
1 - корпус биоплато, 2 - верхний слой фильтровальной засыпки, 3 - коллектор подачи воды на очистку, 4 - нижний дренаж отвода очищенной воды,
5 - средний дренаж сбора и отвода циркуляционно-промывных вод,
6 - верхний дренаж распределение воды в межкорневой системе ВПР,
7 - коллектор отвода очищенной воды (фильтрата), 8 - высшие водные растения и / или влаголюбивые деревья (ВПР), 9 - накопитель циркуляционно-промывных вод, 10 - насос, 11 - самоочищающийся пенополистирольный фильтр, 12 - устройство для биологической промывки фильтра, 13 - заборник-осветлитель промывных вод фильтра, 14 - насос осветленных промывных вод, 15 - нижний слой фильтровальной засыпки
ФРБГТ-1 работает следующим образом. Вода на очистку подается по коллектору (3) в верхнюю часть корпуса биоплато (1), распределяется по его площади и фильтруется сверху вниз через верхний слой фильтровальной засыпки (2). Поскольку в ФРБГТ-1 уровень воды находится ниже верхнего уровня засыпки, в которой высажены ВПР, то их корневая система постоянно омывается водой, движется вертикально сверху вниз.
В верхнем слое засыпки (2), где размещена корневая система ВПР (8), происходит всасывание и транспортировки воды и минеральных веществ корневой системой высших водных растений, синтез биологически активных веществ, накопление в зеленой биомассе продуктов питания, изъятых из воды, размножения ВПР и взаимодействие растворенных примесей, удаляемых из воды, с разнообразными водными организмами (бактериями, актиномицетами, грибами, простейшими, одноклеточными водорослями и т.д.), которые присутствуют в воде и в поровом пространстве засыпки. Далее вода фильтруется через нижний слой засыпки (15). Очищенная вода (фильтрат) собирается нижней дренажной системой (4), отводится коллектором (7) в контактный резервуар и далее сбрасывается в водоем или направляется потребителю после дополнительного доочистки и обеззараживания.
Поскольку во время фильтрации воды происходит накопление в фильтровальной засыпке пленки активного ила, взвешенных минеральных и органических примесей, то созданы такие условия, что часть фильтрованной воды постоянно отводится из нижней зоны корневой системы ВПР средним дренажем (5) в накопитель (9) и далее периодически или постоянно насосом (10) подается для доочистки от взвеси на само промывной пенополистирольный фильтр (11). В результате этого происходит интенсивный массообмен в корневой-фильтровальной засыпке и промывка межкорневой пространства ВПР (8).
Очищенная циркуляционно-промывочная вода возвращается на вход биоплато через коллектор (3). Фильтр (11) периодически промывается с помощью устройства для гидроавтоматической промывки (12). Промывочная вода сбрасывается в осветлитель промывной воды фильтра (13), откуда после отстаивания насосом (14) направляется к коллектору (3). Осадок и минерализованный ил с осветлителя(13) периодически удаляется на илово-компостные площадки.
Продолжительность исследований составляла 3 этапа по 12-30 суток в течение 18 месяцев производственной эксплуатации биоплато. Исследовалось следующие основные варианты работы биоплато: 1 - без использования среднего дренажа в биоплато и пенополистирольного фильтра (исследовалось биоплато - аналог ЗБГТ конструкции «Потенциал-4»); 2 - при циклической (периодической) промывке фильтровальной засыпки биоплато с использованием самопромывного пенополистирольного фильтра; 3 - при постоянной промывке фильтровальной засыпки биоплато с использованием самопромывного пенополистирольного фильтра.
Результаты эксплуатации биоплато в разных вариантах показали следующее. При работе биоплато по первому варианту, при котором в ручном режиме осуществлялось периодическое промывание фильтровальной засыпки путем остановки работы сооружений в течение 40-90 минут и отвода промывных вод 6 раз за период исследования и 3 раза за период наладки работы биоплато позволяет получить достаточно стабильные результаты очистки воды.
Однако существенными недостатками такого биофитоочищения воды является необходимость периодических остановок работы биоплато на регенерацию фильтровальной засыпки и постоянного контроля за работой сооружений квалифицированным обслуживающим персоналом. Такие сооружения после запуска в течение длительного срока «выходят» на режим работы согласно проектным параметрам, в том числе по качеству очищенной воды. При повышенном содержании взвешенных веществ в исходной воде происходит быстрая и неконтролируемая кольматация корневой системы ВПР, дренажа и фильтровальной засыпки биоплато, что приводит к ухудшению качества очистки воды вследствие развития анаэробных процессов, ухудшение массообмена корневой системы с «сырой» водой, значительному усложнению контроля за работой комплекса сооружений в ночное время времени и особенно в периоды длительного выпадения дождей, раннего снегопада, наводнения.
Эксплуатация ФРБГТ-1 по второму варианту осуществлялась без прекращения подачи воды на очистку и с периодической промывкой фильтровальной засыпки биоплато. Этот вариант позволяет получить более стабильные результаты очистки воды по сравнению с первым вариантом. Эффективность очистки воды данным способом по отдельным параметрам по сравнению с предыдущим вариантом была в среднем на 20-30% выше.
Недостатками второго варианта очистки воды является необходимость ручной установки режимов и изменения периодичности промывных циклов фильтровальной засыпки биоплато и постоянного контроля за работой комплекса сооружений при колебаниях показателей качества воды на входе перед биоплато.
Фильтрационно-регенерационные биоплато после запуска без субъективного вмешательства выходят на рабочий режим согласно проектным параметрам, однако необходимость дополнительного и постоянного контроля за процессом промывки фильтровальной засыпки для обеспечения стабильного очистки воды. При подаче на вход биоплато воды с повышенным содержанием взвешенных веществ может происходить кратковременное кольматация дренажа, корневой системы ВПР и фильтровальной засыпки биоплато с ухудшением контрольных параметров загрязняющих веществ в фильтрате.
Эксплуатация ФРБГТ-1 по третьему варианту осуществлялась путем постоянной промывки фильтровальной засыпки биоплато без влияния субъективного фактора и прекращения подачи воды на очистку и остановки его работы. Этот вариант показал стабильные и лучшие результаты. По сравнению с предыдущими вариантами он позволил улучшить степень очистки воды по отдельным контрольным параметрам на 50-70%, особенно при подаче воды с более высоким содержанием взвешенных веществ и биогенных соединений азота и фосфора за счет улучшения процессов массообмена в прикорневой системе фильтровальной засыпки и постоянного смыва минерализованной пленки активного ила. Он обеспечивает глубокую очистку воды в автоматическом саморегулируемой режиме и позволяет очищать воду без вынужденных технологических остановок на промывку засыпки биоплато и отказаться от обслуживающего персонала в течение всего периода работы комплекса сооружений ФРБГТ-1.
Степень очистки сточной воды при работе биоплато в различных вариантах показана в таблице 2. Как видно из результатов исследований, наиболее высокая степень очистки наблюдался при очистке сточных вод по третьему варианту с использованием среднего дренажа и постоянной автоматической промывке фильтровальной засыпки биоплато циркуляционно-промывочными водами и их очисткой на самопромывном пенополистирольном фильтре.
Таким образом, результаты исследований показали, что использование фильтрационно-регенерационного биоплато гидропонного типа (ФРБГТ-1) по сравнению с известными технологическими схемами биофитоочистки воды и конструкциями биоплато позволяет, за счет постоянной автоматической промывки циркуляционно-промывочными водами фильтровальной засыпки, корневой системы ВПР и дренажей биоплато и биологической очистки циркуляционно-промывных вод обеспечить самовосстанавливающийся режим работы комплекса очистных сооружений. ФРБГТ-1 дают возможность, независимо от размеров и производительности биоплато, цикличности подачи воды, климатических условий, достичь более высокого качества и стабильности безреагентной очистки воды, отказаться от обслуживающего персонала и постоянного контроля за работой комплекса водоочистных биофитопрудов.
Таблица 2
Степень очистки сточной воды при различных вариантах использования ФРБГТ
