книги / Растения как средство очистки олиготрофных сточных и природных вод

Рис.4.1. Изменение рН в воде с микроэлементами. Номера растенийц даны в соответствии с табл. 3.1.

О- контрольный сосуд без растения

Контрольные эксперименты с аэрацией свободного объёма в данной серии не проводили. Не анализировали также содержание марганца и стронция.

Результаты, представленные в табл.4.3, показывают, что эффективность уда­ ления меди по сравнению с вариантом без электрообработки практически не изме­ нилась, несмотря на 6-кратное сокращение времени контакта с растениями. По ос­ тальным элементам, кроме хрома, произошло достоверное снижение эффекта на 7- 24 % при сохранении отношения друг к другу по удаляемости. Эффективность уда­ ления хрома возросла примерно в 4 раза и сравнялась с эффективностью удаления кобальта. Остаточное железо, определяемое с разрешающей способностью ±0,1 мг/дм3, во всех пробах не обнаруживалось.

Учитывая, что использованная токовая нагрузка была относительно невысо­ кой, в дальнейшем необходимо исследовать возможность увеличения интенсивно­ сти электрообработки.

Относительные различия в эффективности между различными видами расте­ ний примерно соответствует первому варианту, однако разброс по эффективности ниже (60-73 %) и все различия не достоверны, даже без учёта разности объёмов со­ судов. Как и в первом варианте, существенные различия в очистке корнями и ершом

№40 0,03110,003 0,2510,08 0,3010,08 0,3910,15 0,4810,28 66,9+12,9

4.1.3. Устойчивость эффекта и механизм удаления из воды микроэлементов

Представленные в пп.4.1.2-4.1.3 результаты получены при относительно не­ большой продолжительности опытов, проводившихся в течение нескольких суток. При этом в промежутках между опытами микроэлементы в воду не вводили. Это не позволяет определить, в какой степени будут сохраняться полученные эффекты при длительном постоянном контакте растений с микроэлементами. С целью выяснения этого вопроса были проведены эксперименты, описанные ниже. Эксперименты про­ водили в тех же сосудах с использованием 3 видов растений. Одно из этих растений к началу экспериментов находилось в погибшем состоянии, то есть его корневая система использовалась как пассивная (в биохимическом отношении) волокнистая система. Использовали также сосуд со стекловолокнистым ершом и неаэрируемый сосуд без волокнистых систем, в котором вода очищалась осаждением гидроксидов в покое. Микроэлементы вводили в воду и анализировали по той же методике (п.4.1.1). Воду с микроэлементами заливали в сосуды 4 раза в неделю. Для повыше­ ния эффекта очистки каждую порцию заливаемой воды предварительно обрабаты­ вали в электрокоагуляторе при затратах электричества 50 А ч/м3 Отбор проб для анализа производили 1 раз в неделю через 4 часа после очередной заливки. Отдель­ но отбирали пробы после обработки воды в электрокоагуляторе для определения фактической концентрации электролитически растворённого железа.

Эксперимент продолжали непрерывно в течение 2 месяцев. Общее количество заливок в каждый сосуд - 32, количество проб, проанализированных на микроэле­ менты из одного сосуда - 9.

После окончания экспериментов были измерены объём и общая поверхность корневых систем методом Сабинина-Колосова [231] и определены расчётным путём эти же параметры для волокнистого ерша с использованием значения массы воло­ кон, их геометрических параметров и плотности материала (табл.4.4). Для опреде­ ления динамики накопления микроэлементов в образующемся осадке последний также подвергали анализу. Одну пробу осадка накапливали в течение 2 недель от­ стаиванием каждой порции воды, сливаемой из сосудов, с последующим фильтро­ ванием и высушиванием осевшего осадка. Таким образом, весь осадок, образовав­ шийся в одном варианте в течение 2-месячного эксперимента, был отобран в виде 4- х проб. Заданную навеску из каждой пробы воздушно-сухого осадка растворяли по Р.Боку [71] и анализировали по той же методике, что и воду на содержание микро­ элементов.

Степень сохранения эффекта удаления с течением времени заметно отличается у различных микроэлементов (рис.4.2). Существует корреляция между устойчиво­ стью эффекта и его величиной. Элементы, удаляемые более эффективно, имеют и более устойчивый эффект. Исключение составляет контрольный вариант отстаива­ ния в свободном объёме. Достоверно не обнаруживается снижение эффекта для ме­ ди, цинка и хрома. Для меди можно даже отметить некоторое увеличение эффекта для волокнистых систем в среднем с 96 до 97 %, для контрольного варианта с 94 до 96 %.

Таблица 4.4

Контрольный вариант для всех микроэлементов имеет достоверно более низ­ кий, но во всех случаях, кроме кадмия, относительно устойчивый эффект. Для во­ локнистых систем молено отметить более низкий и неустойчивый эффект удаления хрома в варианте 1 с зебриной (40), что можно объяснить сравнительно небольшой величиной поверхности корней. Последнее может являться причиной несколько бо­ лее низкого эффекта зебрины при удалении кадмия и кобальта.

Среднее снижение эффекта за 2 месяца у корней и волокнистого ерша наблю­ далось: для кадмия с 90 до 75 %, для кобальта с 70 до 40 %.

Несмотря на постоянное снижение эффекта удаления кадмия и кобальта, для них, как и для остальных элементов, наблюдается более высокий средний за 2- месячный период эффект, чем в предыдущей серии экспериментов (п.4.1.3, табл.4.3). Повышение эффекта следует объяснить трёхкратным увеличением дозы количества электричества при предварительной электрокоагуляционной обработке. Абсолютное увеличение эффекта для растений составило (в %): для меди 1,9; для цинка 14,3; кадмия 13,5; кобальта 19,0; хрома 48,5. Указанные приросты эффекта обеспечили снижение остаточной концентрации элементов в очищенной воде, соот­ ветственно, в 1,7; 3,5; 2,0; 1,4 и 5,0 раз. Значительное увеличение эффекта для хрома обусловлено преобладающим значением процесса восстановления 6-валентнохо хрома до 3-валентного, образующего плохо растворимые соединения.

Измерение количества осадка показало (рис.4.3), что для вариантов с расте­ ниями характерно постепенное снижение содержания осадка в единице объёма об­ рабатываемой воды. Это обусловлено вымыванием из корневых систем осадка, на­ копленного ранее в экспериментах по очистке воды от взвешенных веществ. В свою очередь, в варианте с ершом наблюдается увеличение образования осадка, обуслов­ ленное постепенным исчерпанием грязеёмкости первоначально чистого ерша. Со­ держание осадка в контрольном сосуде, как и следовало ожидать, было постоянным и составляло около 37,5 мг воздушно-сухого вещества на каждый литр обработан­ ной воды. Эта величина близка к расчётному содержанию осадка (34 мг/дм3), полу­ ченному из предположения, что осадок в основном представлен гидроксидом желе­ за (Ш) и гидроксидами введённых микроэлементов при средней эффективности их удаления (без железа) около 70 %. Фактически содержание растворённого при элек­ трообработке железа, определённое аналитически в последней серии замеров, со­ ставило величину 15,0±8,0 мг/дм3. Остаточное содержание железа после обрботки

Си

Ъп

Сг

с а

Со

Рис.4.2. Изменение эффектов удаления микроэлементов во времени: 1-забрина(40), 2-переския(97), 3-гинура(28),

4-волокнистый ёрш, 5-свободный объём

Количество осадка, мг/дм

Время, сутки

Рис.4.3. Изменение во времениколичестваобразующегосяосадка:

1 - зебрина (40), 2 - переския(97), 3 - гинура(28), 4 - волокнистый ёрш, 5 - свободный объём, 5! -расчётное количество осадкавсвободном объёме

волокнистыми системами равнялось 0Д5±0,08 мг/дм3, что соответствует эффек­ ту удаления 98,9 %. В контрольном варианте эффект удаления железа составил 96,2 %.

Некоторое превышение фактического содержания гидроксидов над расчётным может определяться как наличием небольшого количества влаги в воздушно-сухом осадке, так и дополнительным выпадением в осадок собственных солей воды. Более высокое содержание осадка в контрольном варианте по сравнению с живыми кор­ нями (кривые 1 и 2) и волокнистым ершом (кривая 4) следует рассматривать как ре­ зультат необратимого в данных условиях связывания части гидроксидов волокни­ стыми системами. А заметное превышение количества осадка в варианте 3 с мёрт­ вой корневой системой объясняется постепенным перегниванием части корней, их обрывом и переходом в осадок, что наблюдалось визуально в виде обрывков корней в сливаемой из сосуда воде.

Из данных рис.4.4 видно, что с течением времени в большинстве случаев возрастает относительное содержание в осадке всех микроэлементов за исключени­ ем хрома. Максимальная концентрация каждого микроэлемента в осадке (кроме хрома) положительно коррелирует с эффектом очистки воды. Рост содержания мик­ роэлементов в осадке с течением времени замедляется и по асимптоте приближается к некоторой предельной величине, что позволяет экстраполяцией в область боль­ шой продолжительности эксплуатации волокнистых систем ориентировочно опре­ делить равновесную концентрацию каждого элемента в осадке, при которой количе­ ство поступающего в осадок микроэлемента равно его количеству, удаляемому с осадком.

Равновесное содержание в осадке и исходное содержание элемента позволя­ ют рассчитать эффект очистки, который при полном удалении осадка должен быть равен эффекту, рассчитанному по остаточной концентрации осадка в воде. Сравне­ ние указанных эффектов (табл.4.5) показывает, что эффекты, рассчитанные по кон­ центрации в осадке, существенно ниже эффектов, рассчитанных по остаточной кон­ центрации в воде. Эту разницу можно было бы объяснить необратимым связывани­ ем микроэлементов волокнистыми системами, например, физиологически активным поглощением. Но в таком случае должны быть одинаковыми эффекты в контроль­ ном варианте, где волокнистые системы отсутствуют. Однако эффекты по осадку в контроле так же, как и в остальных вариантах, значительно уступают эффектам, оп­ ределенным по концентрации в воде. Потери, полученные в контрольном варианте, могут происходить в процессе сбора осадка, в частности, при не полном осаждении гидроксидов во время отстаивания слитой из сосудов воды и при вторичном пере­ ходе микроэлементов из осадка в раствор. Эти потери показаны в табл.4.5. Указан­ ные причины потерь одинаковы как для контрольного, так и для остальных вариан­ тов. Это позволяет ориентировочно рассчитать величину возможного необратимого связывания микроэлементов волокнистыми системами, определяя её как разность между эффектами с учетом потерь при обработке осадка, которые приняты равными потерям в контрольном варианте.

Результаты такого расчёта, представленные в нижней части табл.4.5, показы­ вают, что для корневых систем необратимое связывание изменяется в пределах от - 22 до +22 % и в среднем составило 2,8±6,7 %, то есть фактически, в пределах досто­ верности расчётов, равно нулю.

Существенное связывание наблюдается для варианта с волокнистым ершом и имеет значение в пределах от 9,6 %(хром) до 57,2 %(медь) при положительной кор­ реляции с эффектом очистки воды. Это объясняется тем, что у первоначально чис­ того ерша имеются малообъёмные зоны с затруднённой диффузией.

Содержание микроэлемента в сухом осадке, %

Время, сутки

Рис.4.4. Изменение во времени относительног содержания микроэлементов восадке.

1 - зебрина (40), 2 - переския (97), 3 - гинура (28), 4 - волокнистый ёрш, 5 - свободный объем

Вероятность обратного выноса попавших в эти зоны частиц мала, что и является причиной необратимого накопления в них осадка с микроэлементами.

Таблица 4.5

Результаты 4-часовой обработки воды в 2-месячном эксперименте

Выводы 1. Эффективность суточной очистки воды от микроэлементов в присутствии

корневых систем специально побранных видов растений при исходном содержании каждого элемента около 1 мг/дм3 составляет в %: медь 95-97, цинк и кадмий 85-87, кобальт и марганец 60-65, хром 10%. Концентрация стронция 6-7 мг/дм3 остаётся практически без изменений.

2.Предварительная обработка постоянным током 16,7 А ч/м3 с одновремен­ ным сокращением продолжительности очистки до 4-х часов увеличивает эффект удаления хрома до 40 % без изменения эффекта удаления меди. Эффективность удаления остальных элементов при этом снижается на 7-24 %. Увеличение затрат электричества до 50 Ач/м3 ещё боле увеличивает эффект очистки, особенно для хрома до 90 %.

3.Устойчивость эффекта очистки воды от микроэлементов волокнистыми системами в значительной степени определяется видом элемента, положительно коррелирует с величиной эффекта и слабо зависит от вида волокнистой системы (живые и мёртвые корни, синтетическое волокно). Последнее позволяет предполо­

жить, что снижение концентрации преимущественно определяется физи- ко-химическми процессами перехода микроэлементов в осадок и почти не зависит от активного поглощения растениями. Определённое значение может иметь образо­ вание нерастворимых комплексов металлов с органическими полимерными вещест­ вами [81].

4.Постоянными во времени можно считать эффекты удаления меди (96-97 %), цинка (94 %) и хрома (87-93 %). Менее постоянным является эффект удаления кадмия: снижение за 2 месяца с 88-95 до 66-80 %. Неустойчив эффект удаления ко­ бальта (снижение с 68-72 до 32-40 %).

5.В первом приближении скорость снижения эффекта можно считать посто­ янной (линейная зависимость эффекта от времени). Для поддержания эффекта на необходимом уровне технология очистки воды должна предусматривать периодиче­ скую промывку (регенерацию) волокнистых систем, частота которых определяется видом микроэлемента и необходимым эффектом очистки.

6.В исследованном варианте очистки с предварительной электрокоагцуляцией образующийся осадок в основном представлен гидроксидом железа (III). Содер­ жание микроэлементов в осадке пропорционально эффекту очистки.

7.Необратимое связывание микроэлементов растениями не превышает не­ скольких процентов от исходного содержания, что также свидетельствует в пользу преобладания физико-химических процессов над процессами активного поглоще­ ния микроэлементов растениями.

4.2.Комплексная очистка некоторых производственных сточных вод

Вэкспериментах использовали натуральные сточные воды гальванического производства и глинистую суспензию керамического производства, которая по сво­ им параметрам близка к карьерным водам и может рассматриваться в качестве мо­ дели карьерных вод. Первой ступенью очистки являлись собственные очистные со­ оружения указанных производств. Гальванический сток очищался методом с ис­ пользованием сульфатвосстанавливающих бактерий с последующим осаждением нерастворимых сульфидов в отстойнике. Сток керамического производства прохо­ дил обработку флокулянтом ПАА с последующим осаждением сфлокулированной глины в отстойнике. В обоих случаях после заводской очистки в стоках оставались повышенные концентрации взвешенных веществ. В качестве последней ступени до­ очистки был использован метод пропускания стоков через корневые системы. Ис­ пользовали растения овсяницы, полевицы и циперуса. Овсяница и полевица были выбраны для исследования как растения, считающиеся наиболее устойчивыми к вы­ соким концентрациям тяжёлых металлов [195].

Эксперименты проводили в лабораторной установке (рис.3.1) из 16 вегетаци­

онных сосудов вместимостью 280 см3 каждый. Установку освещали люминесцент­ ными лампами с интенсивностью света 3-5 тыс.лк 6-10 ч/сут синхронно с работой системы аэрации. Одинаковые по массе и внешнему виду растения овсяницы и по­ левицы отбирали из естественной среды обитания (пойма р.Егошихи). После выка­ пывания из грунта и отмывки от почвы корни злаков отрезали на расстоянии 1-2 см от узла кущения и затем растения культивировали предварительно в течение 8 ме­ сяцев на водопроводной воде с заменой воды 1 раз в неделю. Циперус культивиро­ вали со стадии стеблевого черенка на водопроводной воде в течение 16 месяцев. За-