Способ биологической очистки олиготорфных сточных вод

 

Изобретение относится к способам биологической очистки сточных вод и может быть использовано для обработки промышленных стоков с низкой концентрацией питательных элементов. Способ предусматривает контакт в проточных условиях очищаемой жидкости с корневыми системами высших водных растений, причем 90% корней каждого растения оставляют в проточном объеме, а оставшиеся 10% помещают в изолированные лотки с циркулирующей питательной средой. 2 ил., 3 табл.

Изобретение относится к способам биологической очистки сточных вод с помощью высших растений и может быть использовано для очистки промышленных стоков с низкой концентрацией питательных элементов.

Известен способ очистки воды путем контакта очищаемых вод с корневой системой высших водно-болотных, а также сухопутных растений. Корни этих растений заполняют весь проточный объем и создают водоочищающий эффект за счет фильтрования, адсорбции и осаждения дисперсных примесей на поверхности корней. Эффективность очистки прямо пропорциональна степени развития корневой системы (SU, авторское свидетельство, 1719320, кл. C 02 F 3/32, 1992; RU, патент, 2061663, кл. C 02 F 3/32, 1996).

Недостатком этих способов является невозможность их применения для многих типов сточных вод с низкой концентрацией питательных элементов (олиготорфных вод). Нехватка питания приводит к гибели растений или к очень слабому их развитию. При этом слаборазвитая корневая система не создает необходимого водоочищающего эффекта.

Задачей настоящего изобретения является повышение эффекта очистки олиготорфных сточных вод за счет увеличения интенсивности развития растений, с помощью которых производится очистка.

Поставленная задача решается путем контакта олиготорфных вод с корневой системой высших сухопутных растений, причем 90% корневой системы каждого растения размещают в проточном объеме очищаемой воды, а остальную часть корней погружают в лоток с циркулирующей питательной жидкостью, изолируя ее от очищаемой воды. Выращивание растений на водных питательных средах широко известно, но внесение питательных элементов в очищаемую воду недопустимо, так как ведет к загрязнению ее биогенными загрязнениями.

На фиг. 1 показано устройство для реализации предлагаемого способа.

Способ осуществляется следующим образом.

В канал 1 через отверстие 2 подается очищаемая вода. В верхней части канала перпендикулярно его продольной оси размещают неглубокие горизонтальные лотки 3. Верхние края лотков находятся на 2-3 см выше уровня очищаемой воды и полностью изолированы от нее. Длина лотков равна ширине канала. По лоткам с помощью системы трубопроводов циркулирует специально приготавливаемая питательная среда 4, подаваемая насосом из отдельной емкости. Глубина лотков не превышает 1/10 глубины проточной части канала. Вдоль стенки лотков с помощью специальных приспособлений размещают растения 5 таким образом, что основная часть 6 корневой системы размещается в проточном объеме очищаемой воды, а небольшая часть корней 7 каждого растения погружена в лоток с циркулирующей питательной средой. Расстояние между лотками определяется размерами используемых растений при оптимально плотном заполнении корнями проточной части канала (5-10% проточного объема). Уровень питательной среды в лотках поддерживается на 0,5-1 см ниже уровня воды в канале, что исключает возможный капиллярный переток питательной среды в очищаемую воду. Подготовку и замену питательной среды осуществляют в соответствии с известной гидропонной технологией выращивания растений. Очищенная вода отводится через отверстие 8.

Пример 1.

Однолетний черенок тополя черного окоренили в сосуде с периодически заменяемой водопроводной водой. После достижения через две недели длины корней 10-15 см черенок перевели на систему двойного питания, состоящую из 2-х, установленных вплотную друг к другу стеклянных цилиндров по 300 см³ каждый. Корни распределили между цилиндрами поровну по количеству и степени развития. Каждый цилиндр был оборудован непрерывно функционирующей аэролифтной системой аэрации и циркуляции воды. Освещение осуществляли круглосуточно люминесцентными лампами с интенсивностью 4 тыс. лк. Первый из двух цилиндров предназначался для питания водопроводной водой (бедная среда), второй - для питания специально приготовленным питательным раствором (богатая среда). Соотношение между основными питательными элементами в богатой питательной среде соответствовало среде Хогланда - Снайдерса (Практикум по физиологии растений, Н. Н. Третьяков, Т.В.Карнаухова, Л.А.Паничкин и др. М., Агропромиздат, 1990. 271 с.). Среды заменяли в обоих цилиндрах синхронно 1 раз в неделю. Каждый цилиндр был оборудован также системой автоматической подпитки дистиллированной водой для компенсации испарения. При каждой замене сред измеряли конечное и начальное значение pH иономером с точностью до ± 0,1 и общее солесодержание по электропроводности растворов с относительной ошибкой ± 10%. Общая концентрация солей в водопроводной воде изменялась в пределах 170-400 мг/дм³, pH 7,1-7,9; в питательной среде соответственно 620-1350 мг/дм³ и 6,0-6,6. Общая продолжительность культивирования составила 4 мес.

Степень развития и водоочищающую способность корневых систем оценивали ежемесячно по величине адгезионной способности. Для этого в конце каждого месяца культивирования сосуды освобождали от сред и заполняли глинистой суспензией, полученной размешиванием глины в водопроводной воде в концентрации 500±50 мг/дм³. Залитая суспензия непрерывно циркулировала в цилиндрах в течение 2 ч, за счет работы аэролифта при расходе воздуха 60 см³/мин на каждый цилиндр. Одновременно суспензию заливали в контрольный сосуд без растения, в котором вода осветлялась путем обычного гравитационного осаждения глинистых частиц.

Адгезионную способность (А) каждой части корневой системы определяли как отношение разности конечной концентрации твердой фазы в контрольном (С_к) и в экспериментальном сосуде (С_э) и конечной концентрации в контрольном сосуде: А= [(С_к-С_э)/С_к] ·100%. Физический смысл А можно определить как долю твердой фазы, задерживаемую корневой системой. Величина А пропорциональна поверхности корневой системы.

Через месяц после начала культивирования начали проявляться морфологические различия между первоначально одинаковыми частями разделенной корневой системы. В бедной среде корни ветвились меньше, имели меньший диаметр, но обладали заметно более высокой скоростью роста в длину и достигали к концу эксперимента 40 см при глубине сосуда 30 см. Количество корней в богатой среде было заметно большим, они были более толстыми, чаще ветвились, но медленно росли в длину, и их конечная длина не превышала 20-25 см, то есть была меньше, чем предоставленная глубина сосуда. Адгезионная способность, в пределах ее колебания, была приблизительно одинаковой у обеих частей корневой системы (фиг.2). Однако абсолютным максимумом адгезионной способности обладала часть, развивающая в бедной среде, что наблюдалось через 3 месяца с начала культивирования. Для этого возраста корней показаны результаты осветления воды в каждом из 2-х экспериментальных сосудов и в контрольном сосуде (табл. 1).

Пример 2.

Несколько побегов растений зебрины висячей Zebrina pendula schnizl, выращиваемого в горшечной культуре, разрезали на 40 одинаковых черенков. Каждый черенок имел один узел с листом. Средняя сырая масса черенка составляла 1,2±0,15 г. Черенки окореняли в сосуде с отстоянной водопроводной водой в течение недели. После окоренения 16 относительно равных по развитию черенков использовали в 3-вариантном исполнении: 1 вариант (по заявляемому решению) - двойное питание бедной и богатой питательными средами; 2 вариант (по прототипу) - питание только бедной питательной средой; 3 вариант - питание только богатой питательной средой.

Согласно первому варианту с двойным питанием две трети каждого черенка размещали в основном сосуде вместимостью 300 см³ с бедной питательной средой, в качестве которой использовали отстоянную водопроводную воду. Остальные корни погружали в дополнительный сосуд вместимостью 20 см³ с бедной питательной средой, в качестве которой использовали отстоянную водопроводную воду. Остальные корни погружали в дополнительный сосуд вместимостью 20 см³, расположенный вплотную к основному. Вода в основном сосуде непрерывно аэрировалась и циркулировала за счет работы аэролифтной системы. Каждый сосуд был соединен с системой автоматической подачи воды для непрерывной компенсации испарения. Через дополнительные сосуды постоянно прокачивали питательную среду, приготовленную на водопроводной воде с дополнительным введением следующих питательных элементов: в мг/дм³: N - 100, P - 35, Mg - 25, Ca - 90. Азот, фосфор и калий вводили в виде комплексного удобрения для теплиц (ТУ 6-08-454-80), магний - в виде сульфата, кальций - в виде оксида (ХЧ). Объем циркулирующей питательной среды составил 300 см³ на каждый дополнительный сосуд, скорость циркуляции 300 см³/ч. Потери от испарения компенсировали периодическим добавлением дистиллированной воды.

Каждое растение второго варианта культивировали в сосуде, конструкция которого полностью соответствовала основному сосуду первого варианта. Питательной средой служила водопроводная вода (бедная среда).

Третий вариант был представлен также только набором основных сосудов. Питательная среда по составу была идентична среде дополнительного питания из первого варианта (богатая среда).

Количество растений (сосудов) в каждом варианте 5.

Замену сред осуществляли 1 раз в месяц. Перед очередной заменой сред проводили измерение адгезионной способности корневых систем в соответствии с методикой примера 1. После окончания 3-месячного культивирования измеряли сырую и сухую массу зеленой части каждого растения и корневой системы после отмывки ее от дисперсных примесей и удаления избытка влаги с поверхности фильтровальной бумагой. Статическую обработку результатов анализа растений проводили для уровня значимости 0,05.

Конечные параметры растений после 3-месячного культивирования представлены в табл. 2. Все три варианта достоверно отличались по адгезионной способности корневых систем. Максимальный показатель А имел первый вариант (предлагаемое решение). Минимальное значение этого показателя наблюдалось в варианте 3. Вариант 2 (по прототипу) имел промежуточное значение. Преобладание этого варианта над вариантом 3 вполне согласуется с известной физиологической закономерностью стимулирующего действия малопитательных сред на относительное развитие корневой системы. В данном случае корень в бедной питательной среде имел относительно большую массу не только по отношению к собственной полной массе растения, но и по абсолютной величине превышал примерно в 1,4 раза массу корня в богатой среде. В то же время масса корней в основном сосуде первого варианта превышала массу корней второго варианта в 1,6 раза, а с дополнительным корнем - в 1,8 раза. Масса зеленой части растений была максимальной также в первом варианте и превышала соответствующую массу третьего варианта в 1,6 и второго варианта - в 5 раз. Первый и третий варианты имели приблизительно одинаковую интенсивность ветвления побегов (5-6 боковых побегов на растение). Боковые побеги у второго варианта отсутствовали.

Первый вариант отличался и наиболее высокой интенсивностью очистки воды (табл. 3). Минимальной эффективностью обладал третий вариант.

Таким образом, представленные результаты показывают, что предложенный способ очистки сточных вод с использованием дополнительного независимого питания растений позволяет значительно повысить эффективность очистки. Остаточное содержание твердой фазы в очищенной воде в 1,5 раза ниже, чем в известном растении.

При этом урожайность зеленой массы увеличивается в 5 раз.

Формула изобретения

Способ биологической очистки олиготорфных сточных вод, включающий их контакт с корневыми системами высших растений в проточных условиях, отличающийся тем, что в проточном объеме очищаемой воды размещают 90% корневой системы каждого растения, а остальную часть корней погружают в питательную среду, циркулирующую в лотках, верхние края которых расположены на 2 - 3 см выше уровня очищаемой воды и полностью от нее изолированы.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5