The effects of Typha latifolia and componentsof filter media on ammonia nitrogen removal in constructed wetland treatmentsystems.pdf Системы почвенно-болотной очистки сточных вод, построенные по со-временной экологической технологии «constructed wetlands», в настоящеевремя являются одним из наиболее перспективных типов очистных сооруже-ний ввиду низких капитальных затрат на строительство, простоты эксплуата-ции и высокой эффективности обезвреживания загрязненных вод [1]. Много-численные международные исследования [2-5] свидетельствуют об успеш-ном применении систем «constructed wetlands» для очистки сточных вод раз-личного происхождения, в первую очередь для хозяйственно-бытовых сто-ков, где одним из главных загрязнителей выступают различные соединенияазота.«Constructed wetlands» представляют собой сконструированные болотныеэкосистемы, объединяющие физические, химические и биологические про-цессы, вовлекающие болотную растительность, почвы и связанные с нимимикробные сообщества в процесс очистки сточных вод [6]. Стандартныеплощадки почвенно-болотной очистки состоят из четырех принципиальныхэлементов: водоупорный слой, фильтрующий слой, болотная растительностьи устройства для равномерной подачи очищаемых вод. В научной литературесооружения типа «constructed wetlands» принято подразделять на два типа [7]в зависимости от местоположения гидравлической проектной линии: в бота-нических площадках, болотах поверхностного потока с открытой водной по-верхностью сточные воды, подаваемые на очистку, проходят в толще воды вконтакте с микрофлорой, иммобилизованной на стеблях и листьях водныхрастений; на биоплато, болотах подповерхностного потока очищаемые водыпроходят ниже поверхности фильтрующей среды в контакте с корнями и ри-зомой растений [7].Как правило, сооружения почвенно-болотной очистки комбинируются изнескольких ячеек, или площадок, различной конструкции, отвечающих заопределенную стадию процесса обезвреживания сточных вод [7]. Для удале-ния из загрязненной воды соединений азота традиционно используются про-цессы нитрификации и денитрификации [8]. Однако в последнее время ак-тивно исследуется возможность включения анаэробного окисления аммонияв системы очистки коммунальных и промышленных сточных вод [9-12].Включение анаэробного окисления аммония, известного также как анаммокс-процесс, в системы «constructed wetlands» предусматривает возможность водин этап произвести микробиологическую конверсию аммония и нитрита вгазообразный азот с использованием нитрита в качестве акцептора электро-нов. Это позволит уменьшить протяженность нитрифицирующей площадки,поскольку требуется лишь частичная реализация процесса, а также исклю-чить площадку для денитрификации, которая может реализовываться в концеучастка анаэробного окисления аммония. Такая возможность представляетнемалый интерес, поскольку позволит сократить капитальные и эксплуатаци-онные затраты и повысить эффективность очистки и обеззараживания сточ-ных вод. Кроме того, включение участка в системы почвенно-болотной очи-стки сточных вод позволит сократить площади, отчуждаемые для строитель-ства биоинженерной системы.Оптимальные условия для протекания того или иного процесса очисткивод создаются посредством грамотного конструирования систем constructedwetlands. В настоящее время проводится немало исследований по определе-нию различных конструкторскихставляли собой полипропиленовые контейнеры с габаритными размерами52 см . 34 см . 28 см (длина . ширина . высота), объемом 50 л.Рис. 1. Экспериментальная установка систем поверхностного потока (Л 1.1-2; Л 2.1-2)и систем подповерхностного потока (Л 1.3 и Л 2.3).Площадки Л 2.1-2 засажены растительностьюПервая площадка первой линии (Л 1.1) - болото поверхностного потока сфильтрующим слоем из песчано-гравийной смеси высотой 12 см. Уровеньзаполнения площадки водой от дна контейнера - 25 см. На границе фильт-рующего субстрата и воды был установлен перистальтический насос (WatsonMarlow 502S) для дренажа площадки.Вторая площадка первой линии (Л 1.2) - болото поверхностного потока сфильтрующим слоем из песка и известнякового щебня. Высота загрузки -12 см. Уровень заполнения площадки водой от дна контейнера - 25 см. Награнице фильтрующего субстрата и воды установлен перистальтический на-сос (Watson Marlow 502S) для дренажа площадки.Третья площадка первой линии (Л 1.3) сконструирована как участок под-поверхностного потока. Весь объем контейнера Л 1.3 заполнен галькой (диа-метр 1-10 см), емкость закрыта полипропиленовой крышкой с отверстием поцентру для подачи очищаемой воды. Насос для дренажа, согласно принципамфункционирования площадок подповерхностного потока, установлен у днаконтейнера [7].Площадки второй линии (Л 2.1-3) полностью идентичны по конструкциии составу фильтрующего субстрата площадкам Л 1.1-3, но их обязательнымкомпонентом стала высшая водная растительность, укорененная в субстрате.В качестве растительного компонента использовано наиболее распростра-ненное в системах очистки «constructed wetlands» водное растение - рогозшироколистный (Typha latifolia L.). Плотность посадки растений - 6 шт./м2.Началу эксперимента предшествовал подготовительный этап (50 сут), втечение которого на все площадки очистки с интервалом в 10 сут подаваласьвода с постепенным увеличением в ней концентрации солей аммония с 0 до30 мг/л NH4+(0‒10‒10‒30‒30). Раствор нужной концентрации приготавли-вался путем разбавления хлорида аммонияПосле подготовительного этапа был начат эксперимент, состоящий издвух десятидневных циклов (время гидравлической задержки на всех пло-щадках исследования составляло 10 сут). В течение эксперимента содержа-ние ионов аммония в подаваемой на площадки воде составляло 60 мг/л. Наплощадки Л 1.3 и Л 2.3, согласно схеме эксперимента, подавался эффлюент(вода, прошедшая очистку) с площадок Л 1.2 и Л 2.2 соответственно.По истечении каждого цикла вода, прошедшая очистку, выводилась сплощадок в градуированную емкость для измерения объема эффлюента. Со-держание аммония, нитритов и нитратов оценивалось фотометрически наспектрофотометре Apel PD303 (Япония), температура воды и уровень рН из-мерялись потенциометрическим методом с использованием датчика темпера-туры (ДТУ-4-01), электрода ЭС-10601 и иономера Мультитест ИПЛ-513 (Но-восибирск, Россия). Уровень растворенного кислорода определялся с исполь-зованием оксиметра Hanna HI 9142 (Hanna Instruments).На протяжении всего эксперимента площадки находились в одинаковыхвнешних условиях (освещенность, температура, влажность), рН подаваемойна площадки воды варьировал в пределах 7,5-8,5.Статистическая обработка и построение графиков выполнены в програм-ме StatSoft Statistica 6.0.Результаты исследования и обсуждениеПрисутствие кислорода в сточных водах, поступающих на очистку, явля-ется одним из главных факторов, определяющих протекание того или иногопроцесса трансформации загрязняющих веществ. Так, повышение содержа-ния растворенного кислорода в стоках оказывает существенное влияние наскорость нитрификации, в то время как для денитрификации необходимыанаэробные условия: этот процесс сильно угнетается или прекращается пол-ностью в присутствии молекулярного кислорода, анаммокс-процесс такжевозможен лишь в бескислородных условиях среды [17].На экспериментальных площадках в течение всего периода их функцио-нирования концентрация растворенного кислорода в воде контейнеров уве-личивалась, в среднем, с 6,2 до 9,9 мг/л. Наиболее значительные измененияпо этому показателю были отмечены на площадках Л 1.1 и Л 1.2, где наблю-дался активный рост альгокомплекса. Содержание растворенного кислородав воде контейнера Л 1.2 увеличилось за десять дней цикла с 5,79 до14,12 мг/л. На площадках подповерхностного потока Л 1.3 и Л 2.3 концен-трация растворенного кислорода не превышала 2 мг/л.Другой общей тенденцией функционирования площадок стало устойчивоеснижение концентрации аммонийного азота. Общий вид кривых, показы-вающих изменение концентрации NH4+ в воде площадок очистки, представ-лен на рис. 2.Как видно из рис. 2, снижение содержания ионов аммония происходитбыстрее в течение первых трех суток эксперимента, затем несколько замед-ляется. Следовательно, экспериментальные кривые можно визуально разде-лить на два участка - быстрого и медленного удаления.Время, сут.010203040506070Содержание NH4+, мг/лРис. 2. Изменение содержания NH4+ в воде площадок очистки на протяжениицикла функционирования. ▲ - Л 1.1; ♦ - Л 1.2; ■ - Л 2.1; ● - Л 2.2Полученные данные об изменении содержания NH4+ были аппроксимиро-ваны линейной зависимостью содержания ионов аммония в воде площадокот времени. На основании экспериментальных данных были рассчитаны ско-рости удаления аммония в воде площадок, которые представлены в таблице.Скорость рассчитывалась как тангенс угла наклона теоретически полученныхпрямых к оси абсцисс.Скорость удаления NH4+ из воды, поступающей на экспериментальныемодельные системы очистки, мг/л·сутПериод эксперимента Вариантэксперимента 1-й цикл 2-й циклЛ 1.1 12,54 ± 0,25 9,85 ± 0,19Л 1.2 10,70 ± 0,21 8,70 ± 0,17Л 2.1 10,00 ± 0,20 10,70 ± 0,21С начала экспериментадо 3-х сут (быстрое удаление)Л 2.2 10,00 ± 0,20 10,68 ± 0,21Л 1.1 2,63 ± 0,05 1,66 ± 0,03Л 1.2 2,56 ± 0,05 1,56 ± 0,03Л 2.1 1,88 ± 0,04 2,28 ± 0,05С 3-х сут до концаэкспериментаЛ 2.2 1,92 ± 0,04 2,57 ± 0,05Представленные в таблице данные показывают, что в течение первогоцикла эксперимента на площадках первой линии (без растительности) на-блюдаются высокие скорости удаления аммония, что, вероятно, связано сповышенным содержанием растворенного кислорода в воде площадок, необ-ходимого для осуществления реакции нитрификации. Эффективность удале-ния NH4+ из воды площадок первой линии исследования составила 70 и65,5%. Во втором цикле эксперимента скорость удаления аммония из водыплощадок Л 1.1 и Л 1.2 статистически значимо (р < 0,05) снизилась как в пе-риод быстрого, так и в период медленного удаления. Эффективность очисткиводы также снизилась по сравнению с данными, полученными в первом цик-ле эксперимента, и составила 55 и 55,5% соответственно.На площадках второй линии эксперимента скорость удаления ионов ам-мония во втором цикле эксперимента, по сравнению с первым, не только неснижается, но статистически значимо увеличивается (р < 0,05). Эффектив-ность очистки воды от NH4+ во втором цикле эксперимента также повышает-ся: в течение первого цикла эффективность удаления аммония из воды пло-щадок Л 2.1 и Л 2.2 составляла 55,2 и 55%, а в течение второго цикла - 60,4 и71,1% соответственно.Подобная общая тенденция снижения скорости и эффективности удаленияаммония на площадках первой линии, вероятно, связана с вымыванием мик-роорганизмов площадок с эффлюентом, тогда как на площадках второй ли-нии макрофиты создают дополнительные поверхности для прикрепления иудержания микроорганизмов, обеспечивающих разложение аммонийногоазота, на стеблях и ризоме растений. Кроме того, растения обеспечивают до-полнительное поступление органических веществ микроорганизмам за счетвыделений корневых экссудатов.Что касается трансформации соединений азота, то появление нитратов -конечного продукта окисления аммония, в воде площадок Л 1.1 и Л 1.2 вовторой половине цикла служит важным показателем степени очистки воды отаммонийного азота посредством нитрификации [17]. При этом в системахтакже отмечалось появление нитритов, но их концентрация на протяжениицикла оставалась на низком уровне в связи с быстрым окислением до нитра-тов. Повышенное содержание растворенного кислорода, возможно образо-ванное за счет жизнедеятельности альгокомплекса, обеспечило полное про-хождение реакции нитрификации, тогда как на площадках второй линии вто-рая фаза нитрификации была замедленна, о чем свидетельствовали стабиль-ное накопление нитритов и минимальная концентрация нитратов в воде этихплощадок. Данная схема трансформации аммонийного азота позволяла кконцу экспериментального цикла создавать подходящее соотношение ионоваммония и нитритов для начала анаммокс-процесса в случае переноса обра-батываемой воды в анаэробные условия подповерхностной системы очистки.Известно, что внесение известняка в почвенный субстрат площадок «constructedwetlands» оказывает влияние на процессы удаления азота из воды по-средством стабилизации уровня кислотности, измененного в ходе нитрифи-кации, а также повышает производство нитритов на площадке [18]. Однако внаших экспериментах существенных различий показателя кислотности наплощадках Л 1.1 и Л 1.2, Л 2.1 и Л 2.2 отмечено не было; возможно, эффектот присутствия известняка в субстрате наблюдался бы при вертикальном ре-жиме фильтрации.В системах Л 1.3 и Л 2.3, в которые подавалась вода после предвари-тельной обработки на площадках Л 1.2 и Л 2.2 согласно схеме эксперимен-та, поддерживалась минимальная концентрация растворенного кислорода(1-2 мг/л). Такие условия создавали возможность естественного партнерст-ва бактерий-нитрификаторов и анаммокс-бактерий в системах подповерх-ностного потока. Кислород, присутствующий в воде, подаваемой на пло-щадки, мог использоваться для окисления загрязнителей бактериями-нитрификаторами, что позволяло оградить от ингибирующего действиярастворенного кислорода анаммокс-сообщество. Полученные в ходе экспе-риментов данные показывают, что в воде, поступающей на площадку Л 2.3,соотношение концентраций NO2- и NH4+ находится на уровне, при котороманаэробное окисление аммония возможно, а содержание нитритов находит-ся ниже ингибирующего уровня [9].Поскольку концентрация растворенного кислорода в воде площадки Л 2.3была минимальна и при этом в нем наблюдалось полное удаление NH4+ иNO2-, то можно предположить, что удаление ионов аммония и нитритов нель-зя связывать только с реакцией нитрификации на площадке, но также можноговорить о возможной реализации в этих условиях анаммокс-процесса. Дляточного определения возможности включения анаммокс-процесса в системыпочвенно-болотной очистки сточных вод требуется более длительное наблю-дение, поскольку скорость удвоения биомассы анаммокс-бактерий крайненизкая [9].Таким образом, наличие высшей водной растительности в системах гори-зонтального поверхностного потока почвенно-болотной системы очисткисточных вод способствует повышению скорости и эффективности удаленияаммонийного азота и уменьшает вымывание микрофлоры с эффлюентом. Этоявляется важным аспектом при проектировании и строительстве очистныхсооружений подобного типа ввиду короткой гидравлической задержки и вы-сокой скорости прохождения очищаемой воды на последних. Использованиеизвестняка в фильтрующей загрузке не оказало влияния на изменения рН во-ды, поскольку выбранные для исследования системы горизонтального по-верхностного потока не обеспечивают контакта очищаемой воды с глубоки-ми слоями фильтрующей

Скачать электронную версию публикации