По мнению д-ра Брайана Х. Киппера (Brian H. Kiepper), ассистент-профессора, специалиста отделения заочного образования Колледжа сельскохозяйственных и экологических наук Университета штата Джорджия, использование микроводорослей — признаннаятехнология очистки сточных вод, не требующая больших первоначальных вложений и эксплуатационных расходов, которая может применяться в дополнение или вместо механически аэрируемых систем очистки сточных вод.
С момента введения закона «О чистоте воды» и последующего создания Агентства по охране окружающей среды США в начале 1970-х гг. промышленные, ведомственные и коммерческие организации обязаны постоянно улучшать качество сбрасываемых промышленных сточных вод. В то же время результатом роста численности населения и объемов производства стало увеличение количества потребляемой воды и, соответственно, количества сточных вод.
Повышение потребления воды и выбросов отработанной воды требует более эффективных технологий удаления отходов и загрязняющих веществ, позволяющих обеспечить соответствие качества сбрасываемых сточных вод нормативам, установленным регулирующими органами по охране окружающей среды.
Потребность в эффективной очистке сточных вод удовлетворялась за счет внедрения передовых энергоемких специализированных очистных систем, требовавших существенных капиталовложений и последующих эксплуатационных затрат. Несмотря на высокую эффективность, эти передовые очистные системы зачастую были недоступны для предприятий, функционирующих в менее развитых районах или сельских местностях.
Однако существуют действенные альтернативные методы. Системы с низким потреблением энергии, работающие на основе свойств микроводорослей и естественного биологического процесса фотосинтеза, могут увеличить эффективность водоочистных сооружений.
Что такое микроводоросли?
Согласно определению, водоросли — это большая гетерогенная группа примитивных организмов, обитающих в водной среде, которые иногда называют «низшие растения», потому что у них отсутствуют многие органы наземных растений, такие как корни, стебли и листья.
Водоросли являются автотрофами, а их размеры варьируют от одноклеточных до огромных многоклеточных морских водорослей, высота которых может превышать 150 футов (45 метров). Автотрофные организмы являются продуцентами в пищевой цепи, вырабатывающими из молекул простых неорганических веществ сложные органические соединения при помощи фотосинтеза, или солнечной энергии.
Водоросли распространены повсеместно в окружающей среде, их можно обнаружить во всех типах водоемов, включая пресноводные водоемы, солоноватые воды и морскую среду.
Поскольку термин «водоросли» используется для определения столь обширной и многообразной группы организмов, ученые обычно выделяют макроводоросли, многоклеточные водоросли и микроводоросли, микроскопические водорослевые организмы.
К микроводорослям относятся виды одноклеточных водорослевых организмов, которые могут жить по отдельности либо колониями. Микроводоросли могут быть свободноплавающими или прикрепляться к поверхности каких-либо подводных образований. Размеры водорослей могут варьировать от 1 до нескольких сотен микрометров (мкм) в зависимости от вида. Для справки: 1 микрометр (мкм) = 1/1000 миллиметра (мм).
Микроводоросли — это одна из наиболее важных групп организмов на нашей планете. Установлено, что они производят почти половину атмосферного кислорода на Земле, поглощая огромное количество парникового газа — двуокиси углерода. Биоразнообразие микроводорослей также необычайно велико. По оценкам ученых, существует от 200 000 до 800 000 видов, из которых определены и описаны лишь 35 000.
Микроводоросли в естественных водных системах
Микроводоросли играют важную роль в поглощении загрязняющих веществ в естественных водных системах. Различные органические соединения, которые образуются в этих естественных системах в результате фотосинтеза водорослей, входят в состав трофической цепи водной среды, становясь пищей для разнообразных микробов и других гетеротрофных организмов. Кроме того, восстановленный стабилизированный углерод зачастую сохраняется непосредственно в форме детрита, образуя торфяные отложения на заболоченных участках, в прудах и озерах.
Поскольку жизнедеятельность видов водорослей и растений природных водных систем зависит от множества факторов, например, от температуры, уровня кислотности, возраста, времени года, высоты и состава воды, и является устойчивой, если эти факторы находятся в относительном равновесии, включение каких-либо новых источников загрязнения в потенциальную очистную систему не рекомендуется. Тем не менее допускается формирование искусственной среды для увеличения концентрации микроводорослей, контроля и наблюдения за их ростом для того, чтобы обеспечить эффективную обработку сточных вод.
Массовое культивирование микроводорослей для очистки сточных вод
Микроводоросли существуют в природных водных системах в различных формах и концентрациях, однако именно массовое культивирование (или концентрированное выращивание и контроль) микроводорослей делает их пригодными к использованию для очистки сточных вод.
Культивирование микроводорослей в сточных водах может внести существенный вклад в процесс регулирования водных экосистем, предлагая недорогую и экологически приемлемую технологию, дополняющую (в случае относительно сильного загрязнения) или заменяющую (если степень загрязнения относительно невелика) традиционные энергоемкие водоочистные системы.
Энергопотребление
Основное преимущество очистной системы с использованием культивируемых микроводорослей перед традиционными системами аэробной очистки сточных вод заключается в ее низкой стоимости благодаря уменьшению объемов потребляемой энергии.
Функционирование любой системы аэробной очистки сточных вод основано на подаче кислорода соответствующих концентраций различным микробам, которые «разлагают» загрязняющие вещества в водостоках до стабильных соединений. В традиционных аэрируемых системах биохимической очистки сточных вод процесс подачи кислорода включает несколько этапов, описанных ниже и представленных на рисунке 1.
Рис. 1. Шесть этапов подачи растворенного кислорода в раствор в традиционной системе очистки сточных вод.
- Рост растений происходит при помощи солнечной энергии, используемой в процессе фотосинтеза.
- Растения умирают и разлагаются.
- Результатом разложения органического вещества, осуществлявшегося на протяжение миллиардов лет, стало образование ископаемого топлива.
- Люди добывают ископаемое топливо и используют его в качестве источника энергии для получения электричества.
- Сооружения по очистке сточных вод преобразуют эту электроэнергию в механическое действие, выполняемое скребками или вентиляторами.
- Это механическое действие направляет атмосферный кислород в раствор в форме растворенного кислорода для дыхания микробов, содержащихся в сточных водах.
В соответствии с основными положениями инженерного искусства на каждом этапе этого процесса происходит потеря энергии, что увеличивает издержки.
Напротив, в системах очистки сточных вод с использованием микроводорослей подаваемый кислород является непосредственным продуктом фотосинтеза. Таким образом, процесс подачи кислорода в традиционных системах биохимической очистки сточных вод, включающий шесть этапов, заменяется гораздо менее энергоемким двухшаговым процессом нагнетания кислорода, когда насыщение сточных вод кислород происходит в результате дыхания микроводорослей в ходе фотосинтеза.
Необходимая площадь
Главный недостаток систем, применяющих культивируемые микроводоросли, связан с требованиями в отношении площади. Поскольку в основе жизнедеятельности микроводорослей лежит процесс фотосинтеза, обеспечение доступа солнечного света является ключевым моментом.
Большинство систем, применяющих культивируемые микроводоросли, представляют собой неглубокие лотки глубиной 6—12 дюймов (15—30 см), для размещения которых нужно гораздо больше пространства, чем для канав на насыщения кислородом традиционных систем очистки сточных вод, глубина которых может достигать нескольких футов. Однако недостаток, связанный с большой площадью, необходимой для очистных систем с использованием микроводорослей, имеет существенное значение для высокоразвитых городских районов, где цены на земельные участки велики. В менее развитых регионах или населенных пунктах, которые характеризуются наличием недорогих обширных участков и стремлением снизить эксплуатационные расходы, этот недостаток нивелируется.
Кроме того, системы микроводорослевой очистки сточных вод эффективнее функционируют в теплом климате, где отрицательные температуры маловероятны.
Микроводоросли в сконструированных болотных экосистемах
Микроводоросли играют важную роль в развитии сконструированных болотных экосистем.
Очень часто именно они становятся первыми колонистами в водоемах вновь созданных болотных экосистем со слабым растительным покровом. Благодаря своей способности к быстрому росту в соответствующих условиях микроводоросли, как правило, в течение многих месяцев остаются доминирующими организмами в таких экосистемах. Со временем водоем начинает заполняться полупогруженными растениями, которые закрывают водную поверхность от солнечного света и сокращают популяцию микроводорослей. Поэтому последние редко сохраняют доминирующее положение среди организмов сконструированных болотных экосистем.
Для устойчивого использования микроводорослей для очистки сточных вод необходимо культивировать основные наиболее выносливые виды в контролируемых условиях внешней среды.
Микроводорослевая очистка сточных вод в стабилизационных прудах (СП)
Наиболее простой и распространенный пример использования микроводорослей для очистки сточных вод — стабилизационные пруды (СП).
Разработка СП как приемлемого вспомогательного технологического процесса очистки сточных вод во многом была случайной. Первоначально пруды организовывались на водоочистных предприятиях как бассейны-отстойники или резервуары для аварийного перелива.
И лишь в течение последних 20 лет были определены конструктивные и эксплуатационные критерии СП. Сегодня СП признаются во всем мире как одна из основных технологий очистки сточных вод, успешно заменяющая другие системы биологической очистки в тех регионах земного шара, для которых характерно большое количество солнечных дней и наличие дешевых легкодоступных земельных участков. Наибольшее распространение СП получили в Австралии, Африке, Индии, Канаде и в отдельных районах США.
Система СП включает как механически аэрируемые отстойники, так и пруды с естественным насыщением кислородом. Конструкция последних обеспечивает аэробный распад органического субстрата в сточных водах, причем значительная часть растворенного кислорода продуцируется микроводорослями. К этой группе относятся три типа СП:
- факультативные пруды (ФП),
- третичные пруды (ТП),
- пруды с повышенным содержанием водорослей (ППСВ).
Факультативные пруды
Факультативные пруды (ФП) характеризуются наличием верхней аэробной зоны — участка на поверхности пруда, открытого для доступа кислорода, а также нижней анаэробной зоны — участка с наибольшей глубиной, куда не проникает кислород.
Активные процессы очистки сточных вод происходят на обоих уровнях ФП. ФП — самый распространенный тип СП, позволяющий полностью очистить сточные бытовые воды, а также устранить различные загрязняющие вещества органического происхождения из промышленный сточных вод. Действие ФП основано на сложных взаимосвязях между аэробными и анаэробными бактериями, которые являются главными редуцентами в СП, и микроводорослями.
Основные биологические взаимодействия в экосистеме факультативного пруда показаны на рисунке 2.
Рис. 2. Основные биологические взаимодействия в экосистеме факультативного пруда.
Несмотря на то, что в разные периоды года доминирующее положение в ФП занимают разные виды свободноплавающих и прикрепляющихся микроводорослей, в целом в любой момент времени будут доминировать лишь один или два вида. Ученые обнаружили, что ФП на территории США поразительно схожи по видовому составу водорослей, обитающих в них, с незначительными различиями, обусловленными географическим фактором.
В ФП нет поверхностей, пригодных для закрепления нитрифицирующих бактерий (это особый тип бактерий, необходимых для выведения азота из сточных вод), поэтому нитрификация не характерна для ФП.При отсутствии соответствующих нитратов — специфических азотных соединений, содержащихся в сточных водах, — в питающем потоке денитрификация будет незначительна. Тем не менее было установлено, что в ФП восстанавливается 80 процентов общего количества азота и 95 процентов общего количества аммиака.
Биохимическое потребление кислорода (БПК) предположительно составляет 90 процентов, а уровень дефосфорации, сопровождающей его, может достигать 45 процентов.
Основная функция ФП заключается в сохранении в водоеме растворенного кислорода, продуцируемого микроводорослями, на таком уровне, который обеспечит оптимальную степень гетеротрофной активности (т.е. разложения и стабилизации органических веществ).
Как правило, по проекту предусматривается сооружение ФП на расстоянии не менее 0,3—0,6 миль (0,5—1 км) от населенных пунктов, что объясняется выделением запаха в определенные периоды года (обычно весной).
Идеальным местом организации ФП являются открытые участки, обеспечивающие максимальное движение поверхностных воздушных масс по всей площади пруда для ускорения процесса смешивания.
Форма ФП неважна, так как питающий поток быстро смешивается с надосадочной водой пруда. Глубина ФП может составлять 2—5 футов (0,7—1,5 м), а высота надводного борта — 3—5 футов (1—1,5 м) над высшей точкой водной поверхности на случай волнообразования.
Минимальная глубина должна поддерживаться на уровне 2 футов (0,7 м) для того, чтобы избежать роста корневых водных растений.
Типичные показатели нагрузки для ФП с учетом основных климатических зон приведены в таблице 1.
|
Таблица 1. Обобщенные показатели нагрузки и проектные критерии для ФП в различных климатических зонах. | |||
|
Поверхностная нагрузка (кг БПК га-1-сут-1) |
Численность популяции на 1 га |
Время пребывания стока в ФП (сутки) |
Климатические условия |
|
< 10 |
< 200 |
< 200 |
Полярные зоны с сезонным ледяным покровом, постоянно низкими температурами воды и различной облачностью |
|
10-50 |
200-1000 |
200-100 |
Холодный климатический пояс с выраженными сезонами с сезонным ледяным покровом и непродолжительным периодом умеренных температур в летнее время |
|
50-150 |
1000-3000 |
100-33 |
Умеренный и субтропический климат, слабый ледяной покров, отсутствие продолжительной облачности |
|
150-350 |
3000-7000 |
33-17 |
Тропический климат, равномерное и стабильное распределение количества солнечных дней и температур, отсутствие сезонной облачности |
Третичные пруды (ТП)
Третичные пруды (ТП) или пруды доочистки сточных вод широко используются по всему миру в качестве заключительного этапа очистки или этапа доочистки сточных вод для улучшения качества стоков после обработки в биологических системах, включая ФП.
Предполагается, что обработка в ТП позволяет сократить общее содержание взвешенных частиц, количество аммиака, нитратов и фосфора в стоке, но главная задача ТП в большинстве регионов мира связана с устранением патогенных организмов. За решение этой задачи отвечает целый ряд механизмов в ТП, включая осаждение, естественное вымирание (действие времени и температуры), повышенный рН-уровень, ультрафиолетовое облучение и истребление хищниками.
Конструкция, размер и количество (в ряду) ТП завися, как правило, от желаемого бактериологического качества конечного стока. Обычно ТП имеют такую же глубину, как и факультативные пруды (2—5 футов, 0,7—1,5 метров).
Время задержания стока в ТП для обеззараживания составляет 10—14 дней, однако для удаления взвешенных частиц или уменьшения количества фосфатов требуется меньше времени (4—5 и 7—10 дней соответственно).
Уровень БПК в ТП низкий из-за невысокой первоначальной концентрации органических веществ. Однако ТП является эффективным малозатратным промежуточным звеном между системами вторичной биологической очистки и приемниками очищенных стоков, что объясняется их способностью уменьшать воздействие токсических нагрузок и колебания уровня сточных вод в традиционных очистных системах.
ТП отличаются от ФП меньшей вертикальной и физико-химической стратификацией водных масс, которые насыщаются кислородом на протяжении всего дня. Популяция микроводорослей в ТП более многообразна, чем в факультативных прудах, и это многообразие увеличивается в каждом последующем пруде данного ряда. В ТП встречаются как свободноплавающие, так и неподвижные виды микроводорослей, причем последние преобладают.
Одним из недостатков ТП является то, что популяция микроводорослей создает дополнительную нагрузку БПК, что может вызвать проблему при получении разрешительных документов на водосброс, т.к. свободноплавающие микроводоросли покидают ТП вместе с последним потоком.
ФП и ТП чаще всего используются рядами в районах, где имеются дешевые легкодоступные участки земли. Капитальные издержки и расходы на эксплуатацию и техническое обслуживание СП, как правило, ниже по сравнению с другими системами биологической очистки сточных вод, но связанные с сооружением СП требования к площади земельных участков гораздо выше. Эти аспекты отражены в таблице 2.
|
Таблица 2. Первоначальные капиталовложения, ежегодные расходы на эксплуатацию и техническое обслуживание (ЭиТО) и требования к площади участков для традиционных и естественных систем очистки сточных вод в 1996 г. | |||
|
Технология очистки |
Капитальные издержкиa (доллары США/человек) |
Расходы на ЭиТОb (доллары США/м3) |
Площадь участка (м2/человек) |
|
Биохимическая очистка |
1 300 |
1,31 |
0,3—1 плюс 500%c |
|
Биологический фильтр |
980 |
1,11 |
0,4—1 плюс 500%c |
|
Аэрируемый пруд |
785 |
1,11 |
4—1 плюс 100%c |
|
СП |
460 |
0,79 |
10—15 плюс 50%c |
|
a по курсу 1996 г.: 1 немецкая марка = 0,65472 долларов США b сумма в немецких марках на м3 очищенных сточных вод c Дополнительно требуемая рабочая площадь | |||
Пруды с повышенным содержанием водорослей (ППСВ)
В отличие от вышеописанных систем очистки сточных вод с применением микроводорослей, основная задача которых связана с очисткой сточных вод, пруды с повышенным содержанием водорослей (ППСВ) сооружаются не с целью достижения оптимальной эффективности очистки, а главным образом для увеличения производства водорослевой биомассы.
ППСВ — мелкие пруды, обогащенные кислородом, построенные специально для стимулирования роста свободноплавающих микроводорослей с использованием отработанных сточных вод в качестве источника пищи.Эти системы, иногда сооружаемые в виде неглубоких круглых лотков с желобами с мешалками малой мощности, в течение многих лет используются во всем мире для очистки сточных вод.
ППСВ, как правило, имеют глубину 9—20 дюймов (20—50 см), время задержания стока в них составляет от одного до трех дней.
Аэробность ППСВ поддерживается за счет большой популяции микроводорослей, а также применения механических перемешивающих устройств с низкой мощностью, например, лопастных смесителей с низкой частотой вращения. Перемешивание предотвращает илообразование из-за анаэробных условий. Стандартные нагрузки для ППСВ в умеренном климате составляют 134 кг БПК/(га–сутки) с оптимальной нагрузкой в летнее время в 366 кг БПК/(га–сутки).
Как показывают многочисленные данные в существующей научной литературе, ППСВ могут обеспечить высокий уровень очищения бытовых и сельскохозяйственных сточных вод, что подтверждается снижением уровня БПК, содержания взвешенных частиц, азота, фосфора и тяжелых металлов. Тем не менее, как уже отмечалось, ППСВ предназначены, главным образом, для производства микроводорослевой биомассы и представляют собой дополнительную сложно организованную биосистему для очистки сточных вод.
Заключение
Использование микроводорослей, которые выращиваются в контролируемых условиях внешней среды, — это признанная технология очистки сточных вод, не требующая больших первоначальных вложений и эксплуатационных расходов. Она может применяться в дополнение или вместо механически аэрируемых систем очистки сточных вод.
Внедрение систем очистки сточных вод на основе микроводорослей является особенно выгодным в районах с дешевыми земельными участками, отличающихся достаточным количеством ясных и теплых дней.
