Перспективи використання гідрофітів для попереднього очищення стічних вод в умовах КП "Житомирводоканал"

Размещено на http://www.allbest.ru/

Перспективи використання гідрофітів для попереднього очищення стічних вод в умовах КП "Житомирводоканал"

Романчук Л.Д., д-р с.-г. наук

Житомирський національний агроекологічний університет

Обґрунтована можливість використання гідробіонтів видів Eichhornia crassipes (Mart.) Solms і Pistia stratiotes L. в гідрофітному очищенні стічних вод Житомирщини. Використання гідрофітного завантаження за усіма дослідженими варіантами показало позитивну тенденцію щодо поліпшення всіх показників якості води, а ефект очищення від забруднювачів за деякими з них становив понад 80 %. Розроблені склади гідрофітного завантаження показали високу стійкість до підвищених концентрацій забруднювачів у воді, а вивчення стійкості макрофітів у подібних експериментальних умовах дає нові додаткові дані, які дозволяють зіставити різні види рослин щодо їх перспективності для використання з метою очищення і доочищення водних об'єктів.

Ключові слова: біологічне очищення, забруднення, гідрофіти, стічні води.

Перспективы использования гидрофитов для очистки сточных вод в условиях КП «Житомирводоканал»

Ключевые слова: биологическая очистка, загрязнение, гидрофиты, сточные воды.

Perspectives of using hydrophytes for pre-treatment of wastewater in the PUC “Zhytomyrvodokanal”

L. Romanchuk, T. Fedonyuk, V. Pazich

The article includes the results of the studies of the effect of water purification using hidrophytic loading, and resistance of macrophytes of Pistia stratiotes L. and Eichhornia crassipes (Mart.) Solms species to highly polluted water. The study proved their capacity to treat water and defined the high range resistance to pollution.

Biological treatment is the most common way to remove organic matter from urban wastewater. Biological treatment plants constitute about 55 % of the total number of treatment facilities. In recent decades the tendency to changing the qualitative composition of the urban wastewater has been observed due to increased the proportion of nitrogen and phosphorus-containing organic compounds, presence of high concentrations of heavy metals, synthetic surfactants and other substances. Many biological treatment facilities were designed in the 1950s and met the environmental standards of that period, but currently due to technical reasons are not able to ensure the adherence to the present day norms of allowable discharges of pollutants into natural water reservoirs, including biogenic elements.

Therefore, the development of the techniques aimed at reducing the content of biogenic elements in the biological treatment of urban wastewater has become an urgent task. According to the literature data, the effective method of biogenic elements removal is the use of higher water plants (HWP). There is evidence of the use of certain hydrophytes in the process of biological treatment of municipal wastewater.

Higher water plants significantly affect the chemical properties of water and acts as a biological filter in the process of natural selfpurification of water reservoirs. Under the conditions of Polissia region in Ukraine, a number of these plants have been grown for further purifying agricultural and residential wastewater. However, environmental, biological and economic properties of hydrobionts have been insufficiently studied under the conditions of Zhytomyr region. Therefore, the study of hydrophyte application presents a considerable economic interest.

The study was aimed at testing the hydrophytic wastewater treatment, defining the water purification effect in model laboratory systems, and identifying the most promising hydrobionts, suitable for these purposes.

During the research all the indicators showed improvement. In particular, the water transparence rate before loading into the bioreactor was determined as “muddy”. In 10-day period its muddiness decreased and the wastewater was characterized as “slightly muddy”. Within next fortnight the study showed further improvement of its quality by this indicator and at the end of the study, the water was characterized as “transparent”.

The content of suspended particles over the entire period of the research tended to reduce. The amount of suspended particles decreased by approximately one-third in the samples with water plants. The reduction of suspended particles was not recorded in the control sample (within 3 %). Under the conditions of the study, the pH of water during all period of the study amounted to 7.0-7.9. The analysis of nitrogen metabolism was performed taking into consideration possible transformation processes of nitrogen forms, because during the whole research period they tended to vary considerably, which is typical of biological treatment facilities. Obviously, this can be explained by the high content of ammonia nitrogen (0.79-0.83 mg/l) at the beginning of the research and its transformation into nitrite later. The reduction of ammonia content was clearly observed in case of aquatic organism cultivation, during the research period it decreased by one third of the total content, while in the control sample the ammonia content remained practically unchanged.

The similar increased nitrate amount in all the samples was observed for about a month; later the content began to reduce, which meant that the oxidized forms were assimilated by the hydrobionts.

The appearance of oxidized forms of nitrogen indicates a profound process, as their increase with the overall reduction of BOD suggests that carbonaceous compounds are being oxidized.

Phosphate consumption by hydrophytes was quite rapid. The phosphate removal comprised about 80-90 %. In the control sample the phosphates fluctuated slightly and their content decreased by 7 %.

COD and BOD rates reduced by approximately half with hydrobiont-containing samples, and in the control sample the reduction was 10 %.

Iron content in all samples under hydrophytic wastewater treatment also decreased by half. In the control sample iron concentration changed slightly.

In the process of hydrophytic treatment, the decrease of the total mineralization of water was rather slow. At the end of the study the reduction of solids in all samples of hydrophytic treatment was approximately at the same level and amounted to 11-12 %, in the control sample this indicator has changed by only 3 %, which is 7-8 % less than in the samples of hydrophytic treatment.

The best treatment for anionic surfactants was observed in the sample with plants of E species - 60 %, in other samples it was 40-44 %. The reduction of this indicator in the control sample was not observed.

Water hydrophytic treatment techniques, macrophytes of the Pistia stratiotes L. and Eichhornia crassipes (Mart.) Solms cultivation, which are resistant to aggressive pollutants contribute to our knowledge of water plants use in wastewater rehabilitation in Zhytomyr region.

Key words: biological treatment, pollution hydrophytes, sewage.

Постановка проблеми

Біологічне очищення - найбільш поширений спосіб видалення органічних речовин з міських стічних вод. Біологічні очисні споруди складають близько 55 % від загальної кількості всіх очисних споруд [3]. В останні десятиліття відзначається тенденція зміни якісного складу міських стічних вод за рахунок збільшення частки азот- і фосфоровмісних органічних речовин, появи підвищених концентрацій важких металів, синтетичних поверхнево активних та інших речовин. Багато біологічних очисних споруд запроектовані ще в 50-х роках минулого століття і відповідають природоохоронним нормативам того часу, на сьогодні з технічних причин не можуть забезпечити дотримання гранично допустимих скидів забруднювальних речовин у природні водойми, у тому числі біогенних елементів [3].

Аналіз останніх досліджень і публікацій

З огляду на зазначене вище, актуальною стає розробка методів і технологій щодо зниження вмісту біогенних елементів у процесі біологічного очищення міських стічних вод. За літературними даними, ефективним методом видалення біогенних елементів є використання вищих водних рослин (ВВР) [1, 2, 5]. Є відомості про використання окремих гідрофітів у технологічному процесі біологічного очищення міських стічних вод [5-7]. Вища водна рослинність істотно впливає на хімічні властивості води і виступає біологічним фільтром в процесі природного самоочищення водойм. В умовах Полісся України деякі з них вирощували з метою використання для очищення сільськогосподарських і побутових стоків [1, 2]. Однак еко- лого-біологічні та господарські властивості гідробіонтів вивчені недостатньо в умовах Житомирщини. Тому дослідження питань практичного застосування гідрофітів представляє значний господарський інтерес.

Мета і завдання дослідження

Метою роботи була апробація способу гідрофітного очищення води, визначення ефекту очищення води в умовах модельних лабораторних систем, а також визначення найбільш перспективних придатних для використання видів гідробіонтів. гідробіонт eichhornia crassipes solms

Матеріал і методика дослідження

За постановки дослідів використовували лабораторні модельні системи, що містять гідрофітне завантаження [6]. У посудини з водою, яка надходить на станцію першого підйому КП «Житомирводоканал» (об'єм води - 200 л), поміщали рослини сумарною біомасою (сира вага): 30-50 г (E. crassipes) і 10-20 г (P. stratioites). Кожна модельна система містила рослини одного виду ВВР та один варіант зі змішаним фітоценозом двох видів. За контроль використовували модельну систему з водою без фітозавантаження (рис. 1).

ВАРІАНТИ ДОСЛІДУ

1. Eichhornia crassipes (Mart.) Solms - 100 %

2. Pistia stratiotes L. -100 %

3. Eichhornia crassipes (Mart.) Solms - 50 % + Pistia stratiotes L. - 50 %

4. Контроль (без гідробіонтів)

Рис. 1. Схема досліду та основні етапи проведення досліджень режимів експлуатації гідрофітних систем.

Аналітичні роботи здійснювали відповідно до діючих керівних нормативних документів у відділі інструментально-лабораторного контролю Державної екологічної інспекції в Житомирській області.

Результати дослідження та їх обговорення

У період проведення досліджень, враховуючи відносно спекотний період липня-серпня 2015 року, природні води, особливо поверхневі, рідко бувають прозорими. В умовах досліджень вода на момент завантаження в біореактор визначалася як «каламутна». Через 10 днів каламутність води зменшилася, і такі стічні води характеризувалися як «малокаламутні». У наступні два тижні спостерігалося поліпшення якості стічних вод за цим показником і в кінці досліду вода характеризувалася як «прозора» (рис. 2).

На момент завершення експерименту загальне зниження вмісту завислих часток найвищим було на варіанті № 2 - 30 % та № 1 - 27 %, дещо нижчим показник виявився на варіанті № 3 - 22 %. На контролі зниження завислих часток практично не фіксувалося (в межах 3 %).

Під час проведення досліджень ми звертали увагу і на групу хіміко-органолептичних показників. рН води - один з найважливіших показників її якості (табл. 1, № п/п 1) і під час вирощування гідробіонтів в умовах досліду цей показник становив 7,0-7,9. Однак у варіантах з гідробіонтами у перші 10 днів проходження експерименту спостерігалось зміщення рН у бік нейтралізації води. На варіанті № 2, на відміну від інших варіантів, спаду у бік нейтралізації не відбувалось, однак на момент завершення експерименту значення рН було практично ідентичним значенням, отриманих на варіанті № 1. На контролі такого інтенсивного варіювання виявлено не було, очевидно це пов'язано з менш інтенсивними біохімічними процесами.

Вміст азоту й фосфору має особливе значення для біологічного очищення стічних вод. До очищення в міських стічних водах азот зустрічається тільки в двох формах - загальній та амонійній. Окислені форми азоту з'являються після біологічної очистки води, засвідчуючи про повне завершення процесу. Тому, аналіз показників азотного обміну здійснювали комплексно з урахуванням можливих процесів перетворення форм вмісту азоту, зокрема протягом усього періоду досліджень вони мали тенденцію до значних коливань, що цілком характерно для споруд біологічної очистки. Очевидно, це пов'язано із високим вмістом аміачного азоту (0,79-0,83 мг/л) на початку експерименту та його перетворенням з аміачної форми у нітритну, а згодом і нітратну (табл. 1, № п/п 4). Особливо помітно знижувався вміст аміаку за культивування E. crassipes у перші 10 діб експерименту, коли руйнувалося близько третини від його загального вмісту - 38 % у варіанті 1, 28 % - у варіанті № 2 і 21 % - у варіанті № 3, на контролі вміст аміаку практично не змінювався.

Про інтенсивне окислення аміачної форми азоту за гідрофітного очищення свідчать і дані динаміки нітрит-іонів (табл. 1, № п/п 5), різке їх підвищення після 10-денного періоду пов'язано із зниженням концентрації аміак-іонів. Поява окислених форм на усіх варіантах з гідробіонтами відбувається практично однаково. Підвищення кількості нітритів на усіх варіантах тривало близько місяця, а далі їх вміст починав спадати, що говорить про засвоєння окислених форм гідробіонтами.

У перші 10 днів проходження експерименту кількість нітрат-йонів змінювалася незначно, починаючи з 10 доби нітрат-йони фіксувалися гідробіонтами, про це говорить спадання концентрації нітрат-йонів на варіантах № 1-3. На контролі ж їх вміст змінювався незначно (в межах 5 %). Починаючи з 20 доби концентрація нітратів зменшується. На контролі ж вміст нітратів на кінець експерименту становив 73 % від їх початкового вмісту. Поява окислених форм нітрогену свідчить про глибоке проходження процесу, адже їх підвищення на фоні загального зниження біохімічного споживання кисню (БСК) говорить про те, що вуглецевмісні сполуки інтенсивно окислюються.

Споживання гідрофітами фосфатів відбувалося досить швидкими темпами (табл. 1, № п/п 7). На момент завершення експерименту вилучення фосфатів на усіх варіантах було приблизно на одному рівні, 86 % - на варіанті № 2, дещо нижчим цей показник виявився на варіантах № 1 та 3 - 83 та 82 % відповідно. На контролі ж вміст фосфатів коливався незначно і знизився на момент завершення експерименту на 7 %, що на 75-79 % менше, ніж у варіантах гідрофітного очищення.

Показник хімічного споживання кисню (ХСК) за умови гідрофітного очищення на усіх варіантах мав також тенденцію до зниження. Найінтенсивніше дихромантна окиснюваність знижувалася у період з 10 до 20 доби - 42 %, далі інтенсивність процесу знижувалася і до закінчення експерименту ХСК знизилося на 55 % на варіанті № 1 (табл. 1, № п/п 8). Дещо швидше знижувався цей показник на варіанті № 2 у період з 10 до 20 доби - 45 %, однак кінцевий показник виявився нижчим порівняно з варіантом № 1, змішаний фітоценоз (варіант № 3) впливав на зниження ХСК найменше - 41 % - у період з 10 до 20 доби і 47 % наприкінці експерименту. На контролі також спостерігалася тенденція до зниження ХСК, однак цей процес відбувався дуже низькими темпами - лише 7 % - у період з 10 до 20 доби, і лише 10 % наприкінці експерименту.

Біохімічне споживання кисню протягом періоду проведення експерименту мало подібну тенденцію з коливаннями показника ХСК (табл. 1, № п/п 9), зокрема у перші 10 діб проведення експерименту значного варіювання цього показника не спостерігалося, однак з 10 до 20 доби на усіх варіантах гідрофітного очищення спостерігалося різке його спадання: з 4,6 до 2,26 мгО₂/л, що становить 53 % від його початкового значення на варіанті з ейхорнією (№ 1), з 4,5 до 2,5 мгО₂/л, що становить 46 % від його початкового значення на варіанті з пістією (№ 2) і з 4,4 до 2,3 мгО₂/л, що становить 45 % від його початкового значення на варіанті зі змішаним фітоценозом обох культур (№ 3). На контролі зниження БСК₅ практично не фіксувалося і становило лише 4 % від його початкового значення.

Концентрація заліза на усіх варіантах гідрофітного очищення, окрім контролю, зменшувалась (табл. 1, № п/п 10). Найінтенсивніше цей процес відбувався на варіанті № 2 - на 17 % протягом 10 діб, а з 10 до 20 доби інтенсивність процесу вилучення заліза зростала і становила 43 %, наприкінці досліджень загальна концентрація заліза знизилася на 53 %. Дещо нижча інтенсивність вилучення заліза спостерігалася на варіанті № 1, зокрема у перші 10 днів вміст заліза знизився на 16 %, з 10 до 30 доби було вилучено близько 39 %, наприкінці досліджень вміст заліза знизився більше ніж на половину (52 %). Ще нижчі показники вилучення заліза спостерігались на варіанті № 3 - лише 12 % у перші 10 діб, наступні 20 діб вміст заліза знизився лише на 22 %, що становить п'яту частину, наприкінці проведення досліджень змішаним фітоценозом вилучено трохи більше третини від загального вмісту заліза (38 %). На контролі по закінченні досліджень вміст заліза знизився на 8 %, що на 30-46 % нижче ніж на варіантах з гідрофітного очищення.

У процесі гідрофітного очищення загальна мінералізація води знижувалася досить повільно. На момент завершення експерименту зниження вмісту сухого залишку на усіх варіантах гідрофітного очищення було приблизно на одному рівні і становило 11-12 %, на контролі цей показник змінився лише на 3 %, що на 7-8 % менше ніж на варіантах гідрофітного очищення (табл. 1, № п/п 12).

Враховуючи це, крім характеристики показника загальної мінералізації ми провели аналіз вмісту хлоридів і сульфатів. В умовах досліду варіювання вмісту хлоридів було незначним і застосування гідрофітного очищення суттєво не вплинуло на цей показник (9-11 %) (табл. 1, № п/п 13).

Протягом періоду проведення досліджень концентрація сульфатів у воді мала також тенденцію до незначного зменшення. На варіанті №1 у перші 10 діб експерименту вона знизилася на 18 %, на варіанті № 2 - на 17 %. Використання змішаного фітоценозу у варіанті № 3 спричинило зниження концентрації сульфатів лише на 10 % від початкового їх вмісту (табл. 1, № п/п 14). На контролі зниження сульфатів на 5 % відбулося на 20 добу проведення експерименту, однак на момент завершення експерименту їх концентрація повернулася на вихідний рівень.

У досліджених водах аніонвмісні поверхнево активні речовини (АПАР) виявлені у концентрації 0,1 мг/дм³. Найкраще процес біоочистки відбувався у варіанті № 1, де вміст АПАР знизився на 40 % протягом перших 10 діб експерименту, а до завершення досліду їх концентрація знизилася на 60 % (табл. 1, № п/п 15). На варіантах № 2 та 3 у перші 10 діб АПАР вилучалися лише на 20-22 %, на момент завершення експерименту вміст АПАР знизився загалом на 40-44 %. Зниження цього показника на контролі практично не відбувалося, однак на момент завершення експерименту 10 % їх окислилися в результаті природних фізико-хімічних процесів.

Висновки та перспективи подальших досліджень

Використання гідрофітного завантаження за усіма дослідженими варіантами показало позитивну тенденцію щодо покращення показників якості води, а ефект очистки від полютантів за деякими показниками становив більше 80 %. Досліджені види гідробіонтів: ейхорнія та пістія рекомендовані для фіто- ремедіації. Однак серед перспектив дослідження слід відмітити незначну вивченість питань стійкості макрофітів видів Pistia stratiotes L. і Eichhornia crassipes (Mart.) Solms до підвищеного вмісту особливо агресивних забруднювачів, які могли б слугувати для більш обгрунтованого застосування водних рослин з метою відновлення водних об'єктів і фіторемедіації води.

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

1. Василюк Т.П. Ефект очищення стічних вод біологічним методом з використанням рослин виду Eichornia crassipes Майіш за різного гідравлічного навантаження / Т. П. Василюк // Biotechnologia Acta. - 2009. - Т. 2, № 1. - С. 99-106.

2. Василюк Т.П. Використання гідробіонтів виду Eichornia crassipes для очистки стічних вод / Т.П. Василюк // Екологія довкілля та безпека життєдіяльн. - 2008. - № 4. - С. 63-68.

3. Биологические пруды в практике очистки сточных вод / Г.Г. Винберг, П.В. Остапеня, Т.Н. Сивко, Р.И. Левина. Под ред. Остапеня П.В. - Минск: «Беларусь», 1966. - 231с.

4. Горский В.Г. Планирование промышленных экспериментов (модели статики) [Текст] / В.Г. Горский, Ю.П. Адлер. - М.: Металлургия, 1974. - 264 с.

5. Carbiner R. Aquatic macrophyte communities as bioindikators of eutrophication in calcareous oligosaprobe stream waters / R. Carbiner, M. Tremolieres, S. Mercier // Vegetatio. - 1990. - № 86. - P. 71-88.

6. Seidel K. Macrophytcs and water purification / K. Seidel // Biological Control of Water Pollution; T. Tourbier, and R W. Pierson, eds. / Pennsylvania University Press. - Philadelphia, 1976. - P. 109-122.

7. Zimmles Y. Application of Eichhornia crassipes and Pistia stratiotes for treatment of urban sewage in Israel / Y. Zimm- les, F. Kirzhner, A. Malkovskaja // Journal of Environmental Management, 2006. - Vol. 81. - P. 420-428.

REFERENCES

1. Vasyljuk T.P. Efekt ochyshhennja stichnyh vod biologichnym metodom z vykorystannjam roslyn vydu Eichornia crassipes Martius za riznogo gidravlichnogo navantazhennja / T. P. Vasyljuk // Biotechnologia Acta. - 2009. - T. 2, № 1. - S. 99-106.

2. Vasyljuk T.P. Vykorystannja gidrobiontiv vydu Eichornia crassipes dlja ochystky stichnyh vod / T.P. Vasyljuk // Ekologija dovkillja ta bezpeka zhyttjedijal'n. - 2008. - № 4. - S. 63-68.

3. Biologicheskie prudy v praktike ochistki stochnyh vod / G.G. Vinberg, P.V. Ostapenja, T.N. Sivko, R.I. Levina. Pod red. Ostapenja P.V. - Minsk: «Belarus'», 1966. - 231s.

4. Gorskij V.G. Planirovanie promyshlennyh jeksperimentov (modeli statiki) [Tekst] / V.G. Gorskij, Ju.P. Adler. - M.: Metallurgija, 1974. - 264 s.

5. Carbiner R. Aquatic macrophyte communities as bioindikators of eutrophication in calcareous oligosaprobe stream waters / R. Carbiner, M. Tremolieres, S. Mercier // Vegetatio. - 1990. - № 86. - P. 71-88.

6. Seidel K. Macrophytcs and water purification / K. Seidel // Biological Control of Water Pollution; T. Tourbier, and R W. Pierson, eds. / Pennsylvania University Press. - Philadelphia, 1976. - P. 109-122.

7. Zimmles Y. Application of Eichhornia crassipes and Pistia stratiotes for treatment of urban sewage in Israel / Y. Zimm- les, F. Kirzhner, A. Malkovskaja // Journal of Environmental Management, 2006. - Vol. 81. - P. 420-428.

Размещено на Allbest.ru