Использование высших водных растений для доочистки

УДК 504.06:628.3/4.
НОВГОРОДЦЕВА Любовь Владимировна, кандидат химических наук, доцент кафедры физической
химии.
ГАВРИЛОВА Юлия Владимировна, студентка
группы ЗОС-616.
Адрес для переписки: e-mail: lybov_v@mail.ru
Статья поступила в редакцию 14.06.2012 г.
© Л. В. Новгородцева, Ю. В. Гаврилова
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (114) 2012
4. Бреннер, М. М. Экономика нефтяной и газовой промышленности / М. М. Бреннер. – М. : Недра, 2002. – 322 с.
5. Государственный доклад о состоянии окружающей природной среды. – М : Природа, 2010. – 610 с.
6. Позднышев, Г. Н. Перспективные способы добычи нефти и ликвидации нефтяных загрязнений / Г. Н. Позднышев,
В. Н. Манырин, А. Г. Савельев. – Самара : БАХРАХ, 2004. –
440 с.
7. Родионова, И. Г. Коррозионно-стойкие биметаллы с
прочным сцеплением слоев для нефтехимической промышленности и других отраслей / И. Г. Родионова, А. А. Павлов,
А. И. Зайцев. – М. : Металлургиздат, 2011. – 292 с .
С. Б. ЧАЧИНА
А. Н. ГОСТЕВА
Омский государственный
технический университет
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ
ВЫСШИХ ВОДНЫХ РАСТЕНИЙ
ДЛЯ ДООЧИСТКИ КАНАЛИЗАЦИОННЫХ
СТОЧНЫХ ВОД ОАО «ОМСКВОДОКАНАЛ»
Изучена аккумуляционная способность высших водных растений — пистии, ряски
малой, валлиснерии спиралевидной. Впервые проведена сравнительная характеристика высших водных растений по способности извлекать из сточных вод и аккумулировать фосфаты, соединения азота, СПАВ, сульфаты и нефтепродукты и металлы. Данные исследований могут применяться для создания биологических прудов
и использования для доочистки городских и промышленных сточных вод высших
водных растений.
Ключевые слова: сточные воды, доочистка сточных вод, высшие водные растения.
загрязняющих веществ делает их незаменимыми в
общем процессе самоочищения водоёмов [1].
Все это определило основную цель исследования: изучить способность высших водных растений
аккумулировать нитраты, нитриты, аммиак, фосфаты, соединения азота, СПАВ, ХПК и нефтепродукты, железо, цинк, медь, хром, алюминий из городских сточных вод.
Научная новизна работы. Впервые изучена аккумуляционная способности и проведено сравнение эффективности высших водных растений —
пистии, ряски малой, валлиснерии спиралевидной в
качестве методов доочистки канализационных сточных вод.
Практическое значение. Выявлен видовой состав высших водных растений, перспективных для
доочистки городских сточных вод ОАО «ОмскВодоканал».
Материал и методы исследования. Объектами
исследования являлись высшие водные растения,
способные аккумулировать токсичные соединения:
валлиснерия спиралевидная — Vallisneria spiralis,
пистия, или водяной салат — Pistia stratiotes, ряска
малая — Lemna minor.
Валлиснерия спиралевидная (Vallisneria spiralis) —водное растение, приспособленное к жизни
в реках и озерах. Это растения с длинным тонким
ЭКОЛОГИЯ
При использовании в технологических процессах вода загрязняется различными органическими
и неорганическими веществами, т.е. образуются
сточные воды. Промышленные сточные воды, поступающие в замкнутые системы водоснабжения
или сбрасываемые в водоемы, должны быть подвергнуты очистке механическими, химическими, физико-химическими, биологическими и термическими
методами до необходимого качества. Разработка и
выбор высокоэффективных методов очистки промышленных стоков является сложной инженерной
задачей.
Наиболее эффективным способом очистки городских (смеси хозяйственно-бытовых и промышленных) сточных вод является биологическая очистка. В последние десятилетия отмечается тенденция
изменения качественного состава сточных вод за
счёт увеличения доли азот- и фосфорсодержащих
органических веществ, в связи, с чем биологические
очистные сооружения не всегда обеспечивают необходимую степень очистки, в том числе от биогенных веществ (солей азота и фосфора) [1].
Одним из способов доочистки сточных вод от
биогенных веществ является использование высшей водной растительности (ВВР) — макрофитов
(тростник, камыш, уруть, ряска). Способность ВВР
к накоплению, утилизации, трансформации многих
203
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (114) 2012
Таблица 1
Результаты исследований
физических показателей сточных вод
на очистных сооружениях канализации
ОАО «ОмскВодоканал»
Взвешенные
вещества, мг/л
Сухой остаток,
мг/л
1. Вход в канализацию
169,5
492
2. Выход с механической
очистки
139,4
479
3. Выход с отстойников
после механической
очистки
89,3
461
4. Выход с биологической очистки
14,1
449
5. После фильтрации
8,5
427
6. Валлиснерия
6,7
158
94,99
67,89
7
169
96,05
65,65
6
141
95,87
71,34
№ пробы, вид стоков
Эффективность очистки, %
7. Пистия
Эффективность очистки, %
8. Ряска
ЭКОЛОГИЯ
Эффективность очистки, %
204
ползущим корневищем. В России (на Нижнем Дону
и Нижней Волге, в Предкавказье и на Дальнем Востоке) произрастает один вид — валлиснерия спиральная (Vallisneria spiralis).
Валлиснерии считаются неприхотливыми в содержании, выдерживающие довольно значительные
колебания температуры, не предъявляют особых
требований к химическому составу воды, хорошо
растут как при естественном, так и искусственном
освещении. Освещение: 0,5 Вт/л, температура воды:
15–24°С, рН 6–7,5. Размножают валлиснерию отводками, образовавшимися на ползучем побеге.
В благоприятных условиях одно растение валлиснерии может дать за год до 50 новых кустиков.
В Пермском государственном университете проводились экспериментальные исследования, которые подтвердили возможность использования высших водных растений в процессе биологической
очистки городских сточных вод для снижения содержания в них солей азота и фосфора.
Проведённые эксперименты показали положительную динамику поглощения ВВР всех форм азота
и фосфатов [2].
Пистия, или водяной салат (Pistia stratiotes),
представляет собой розетку крупных бархатистых
листьев голубовато-зеленого цвета. В диаметре розетка может достигать 25 см. Крупные экземпляры
растения достигают высоты 15 см. Пистия имеет
хорошо развитую корневую систему, состоящую
из множества длинных корешков. Произрастает в
проточных водёмах, в тропиках восточного и западного полушарий. Ученым США удалось установить,
что водный гиацинт способен удалять вредные примеси из воды, предназначенной для промышленных
и хозяйственных нужд. Подобные «ботанические»
отстойники внедряются в практику. Скошенная зеленая масса водного гиацинта может служить хорошим удобрением или применяться в производстве
биогаза [3].
Ряска малая (Lemna minor). Это небольшое растение, плавающее на поверхности или в толще воды,
состоящее из листовидных стеблей, скрепленных
по несколько штук между собой, от которых темно-зеленого цвета 0,5–1 см в диаметре отходит
единственный короткий нитевидный корешок. В течение теплого периода времени растение размножается вегетативно, с помощью молодых листецов,
отделяющихся от материнского растения. Зимует
ряска в виде почек, опускающихся на дно вместе с
отмершим растением. Растение содержит антоцианы, флавоноиды, соли меди, брома, железа, ванадия, кальция, кремния, следы радия, 25% протеина,
незначительное количество аскорбиновой кислоты,
йод, бром. Ряска малая содержит 38% белка, до 5%
жира, клетчатку, микроэлементы (калий, кальций,
цинк), витамины А,С,В. Это растение очищает водоёмы от углекислоты и снабжает кислородом, служит
кормом для рыб и защищает от солнечных лучей. Ряску применяют для очистки воды, так как листецы
извлекают из нее и запасают азот, фосфор, калий
поглощают углекислый газ и обогащают воду кислородом. На присутствие загрязняющих веществ ряска реагирует изменением листеца и поэтому может
использоваться как индикаторный организм [4].
В естественных условиях для биологической доочистки сточных вод используют биологические
пруды и поля орошения или поля фильтрации [4].
Экспериментальная часть. Исследования проводились в период с 2011 по 2012 г. В процессе исследований изучалась эффективность методов очистки
городских канализационных стоков на ОСК ОАО
«ОмскВодоканал» и методов доочистки с использованием высших водных растений — пистии, валлиснерии, ряски. Процесс контролировали по следующим показателям: рН, содержанию взвешенных
веществ, сухого остатка, содержанию фосфатов
(фосфора), фенола, азота общего, азота аммонийного, ХПК, БПК, хлора, СПАВ, нефтепродуктов. Показатели определяли по утвержденным методикам.
Была проведена оценка эффективности доочистки сточных вод ОАО «ОмскВодоканал» с использованием пистии, валлиснерии, ряски по физическим
показателям. Нами было отобрано 5 проб сточных
вод с ОАО «ОмскВодоканал»: 1 — вход в канализацию, 2 — выход с механической очистки, 3 — выход
с отстойников после механической очистки, 4 —
выход с биологической очистки, 5 — после фильтрации. Для сравнения с выше указанным методом
фильтрации нами предложены методы доочистки
(фильтрации) — доочистка сточных вод водными
растениями валлиснерия (проба № 6), пистия (проба
№ 7) и ряска (проба № 8). Растения выдерживали в
течение 5–7 дней в сточных водах, взятых со стадии
фильтрации.
ХПК определяли фотометрическим методом,
БПК — йодометрическим методом, хлориды и сульфаты — титриметрическим методом, нефтепродукты экстрагировали из воды четыреххлористым
углеродом, отделяли нефтепродукты от сопутствующих органических соединений других классов на
колонке, заполненной оксидом алюминия, и измеряли массовую концентрацию нефтепродуктов методом ИК — спектрометрии. Определение фенолов
проводили экстракционно-фотометрическим методом после отгонки с паром. Содержание нитратов
и нитритов определяли фотометрическим методом.
Определение фосфат-ионов и фосфорсодержащих
соединений проводилось фотоколориметрическим
методом.
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (114) 2012
Рис. 1.
Рис. 2.
ЭКОЛОГИЯ
205
Рис. 3.
Таблица 2
Результаты исследований химических показателей сточных вод
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (114) 2012
на очистных сооружениях канализации ОАО «ОмскВодоканал»
№ пробы, вид стоков
ХПК,
мг/л
Н/пр.,
мг/л
NH4+,
мг/л
PO43+,
мг/л
СПАВ,
мг/л
Al3+,
мг/л
Fe2+,3+,
мг/л
Pобщ.,
мг/л
Cu2+,
мг/л
Zn2+,
мг/л
1. Вход в канализацию
451,3
2,36
35,6
15,6
2,7
0,436
0,73
8,6
0,022
0,136
2. Выход с механической
очистки
392,2
2,29
31,04
14,8
2,2
0,393
0,47
7,61
0,02
0,121
3. Выход с отстойников,
после мех. Очистки
287,3
1,76
6,47
13,6
1,8
0,216
0,37
5,11
0,013
0,116
4. Выход с биологической
очистки
73,4
0,058
3,31
11,3
0,074
0,078
0,18
3,69
0,0035
0,028
5. После фильтрации
54,6
0,049
1,69
10,3
0,074
0,069
0,18
3,36
0,0063
0,004
6. Валлиснерия
23,5
0,032
1,12
2,16
0,063
0,061
0,069
0,76
0,003
0,011
Эффективность очистки,
%
94,79
98,64
96,85
86,15
97,67
86,01
90,55
91,16
86,36
91,91
7. Писния
27,1
0,034
1,05
1,67
0,051
0,062
0,074
0,98
0,003
0,012
Эффективность очистки,
%
94,00
98,56
97,05
96,73
98,11
85,87
89,86
88,60
86,36
91,18
8. Ряска
33,1
0,041
0,96
0,51
0,057
0,058
0,071
0,64
0,004
0,011
Эффективность очистки,
%
92,67
98,26
97,30
96,73
97,89
86,70
90,27
92,56
81,82
91,91
ЭКОЛОГИЯ
Таблица 3
Изменение содержания металлов в сточных водах
с использованием растений
206
Металлы
Валлиснерия
Пистия
Ряска
Fe
90,55
89,86
90,67
Zn
91,91
91,18
91,91
Al
86,01
85,78
86,7
Cu
86,36
81,82
81,82
Обсуждение результатов. Данные по физическим показателям представлены в табл.1.
Эффективность очистки сточных вод от взвешенных веществ после доочистки валлиснерией —
94,99%, пистией — 96,05%, ряской — 95,87% (табл. 1),
(рис. 1).
Эффективность очистки сточных вод от сухого
остатка, после доочистки валлиснерией — 67,89%,
пистией — 96,05%, ряской — 71,34%. Наиболее эффективна пистия (табл. 1).
Результаты исследования химических показателей представлены в табл. 2.
Эффективность очистки сточных вод от содержания фосфат ионов, после доочистки водными растениями: валлиснерией — 86,15%, пистией — 96,73%,
ряской — 96,73%. Растения пистия и ряска обладают
одинаковой адсорбционной способностью к фосфатам (табл. 2), (рис. 2).
Содержание жиров после доочистки водными
растениями: валлиснерия — 0,6мг/л, пистией —
0,2мг/л, ряской — 0,3мг/л. (табл. 2), (рис. 2).
По отношению к аммонию, СПАВ, нефтепродуктам и общему фосфору растения обладают одинаково высокой эффективностью.
Эффективность очистки сточных вод от содержания азота, после доочистки водными растениями: валлиснерией — 96,85%, пистией — 97,05%, ряской — 97,30% (табл. 2), (рис. 2).
Эффективность очистки сточных вод от содержания СПАВ, после доочистки водными растения-
ми: валлиснерией — 97,67%, пистией — 98,11%, ряской — 97,89% (табл. 2), (рис. 2).
Эффективность очистки сточных вод от нефтепродуктов, после доочистки водными растениями:
валлиснерией — 98,64%, пистией — 98,56%, ряской — 98,26% (табл. 2), (рис. 2).
Содержание ХПК после проведенной нами доочистки водными растениями: валлиснерией —
23,5мг/л, пистией — 27,1мг/л, ряской — 33,1мг/л.
Эффективность очистки после доочистки водными
растениями: валлиснерией — 94,79%, пистией —
94,00%, ряской — 92,67% (табл. 2).
Эффективность очистки сточных вод от содержания железа, после доочистки водными растениями: валлиснерией — 90,55%, пистией — 89,86%, ряской — 90,27% (табл. 3), (рис. 3).
Эффективность очистки сточных вод от содержания цинка, после доочистки водными растениями: валлиснерией — 91,91%, пистией — 91,18%, ряской — 91,91% (табл. 3), (рис. 3).
Эффективность очистки сточных вод от содержания алюминия, после доочистки водными растениями: валлиснерией — 86,01%, пистией — 85,78%,
ряской — 86,70% (табл. 3), (рис. 3).
Эффективность очистки сточных вод от содержания меди, после доочистки водными растениями:
валлиснерией — 86,36%, пистией — 86,36% ряской —
81,82% (табл. 3), (рис. 3).
Анализ доочистки сточных вод растениями на содержание металлов выявил наибольшую сорбционную способность валлиснерии по отношению к Fe
и Zn, и ряски к Al и Cu, что подтверждает видовые
отличия растений по способности аккумулировать
токсичные вещества.
Заключение. 1. Анализ полученных данных подтверждает видовые отличия растений по способности аккумулировать токсичные вещества. Наиболее
интенсивной азотопоглощающей и фосфатопоглащающей способностью среди изученных видов обладает ряска. Аккумуляция жиров, ХПК, алюминия,
железа, цинка, меди, СПАВ и нефтепродуктов более
Библиографический список
1. Храмцова, Т. Г. Использование макрофитов для доочистки городских сточных вод / Т. Г. Храмцова, Д. И. Стом, В. А. Выгода // Проблемы экологии. – 1995. – Вып. 2. – С. 260–262.
2. Вайсман, Я. И. Использование водных растений для
доочистки сточных вод / Я. И. Вайсман, Л. В. Рудакова, Е. В.
Калинина // Экология и промышленность России. – 2006. –
№ 11. – С. 9–11.
УДК 504.406.(1/9)
3. Использование эйхорнии для очистки промстоков /
Е. П. Курцевич [и др.] // Экология и промышленность России. –
2001. – № 2. – С. 21–23.
4. Высшие водные растения для очистки сточных вод /
Ю. А. Тарушкина [и др.] // Экология и промышленность России. – 2006. – № 5. – С. 36–39.
ЧАЧИНА Светлана Борисовна, кандидат биологических наук, доцент кафедры физической химии.
ГОСТЕВА Анна Николаевна, специалист-инженер
по охране окружающей среды.
Адрес для переписки: e-mail: KSB3@yandex.ru
Статья поступила в редакцию 08.06.2012 г.
© С. Б. Чачина, А. Н. Гостева
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (114) 2012
эффективно осуществляется пистией. Наиболее акклиматизированной к условиям Западной Сибири
является ряска малая. Она быстро размножается и
не требует создания специальных условий для доочистки сточных вод.
С. Б. ЧАЧИНА
О. О. ОВСЯННИКОВА
Омский государственный
технический университет
ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ОЧИСТКИ
НЕФТЕЗАГРЯЗНЕННЫХ ВОД
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОКСА И ЦЕОЛИТА
Изучены сорбционные свойства кокса и цеолита. Впервые проведена сравнительная характеристика кокса и цеолита по способности извлекать из сточных вод и
аккумулировать фосфаты, соединения азота, СПАВ, нефтепродукты и металлы.
Выявлена наибольшая сорбционная способность цеолита.
Ключевые слова: сточные воды, доочистка сточных вод, кокс, цеолит.
территории мазутных хозяйств котельных предприятия, мазут хранится в надземных резервуарах
оснащенных подогревателями. Для очистки от нефтепродуктов (мазута) конденсата водяного пара из
подогревателей, установлены мазутоловушки, где в
качестве поглотителя используется кокс [1].
В качестве альтернативы коксу можно использовать природный минерал — цеолит. Результаты
практического применения природных цеолитов
позволяют с уверенностью утверждать, что с их помощью можно решить значительное количество назревших проблем в сфере охраны окружающей среды, снизить стоимость и повысить эффективность
очистки промышленных и бытовых сточных вод.
Природные цеолиты — относительно новый
класс минерального сырья, используемого в технологических процессах очистки и доочистки сточных
вод. Развитая удельная поверхность, хорошие адгезионные, адсорбционные и ионообменные свойства
цеолитов дают возможность эффективно извлекать
с их помощью из очищаемой жидкости взвешенные,
коллоидные и растворенные загрязняющие вещества органического и неорганического происхождения, в том числе ионы аммония, тяжелые металлы
и радионуклиды, нефтепродукты. В цеолитах тетраэдры (SiO4) и (AlO4) образуют полиэдры, содержащие
внутри свободные полости и каналы. В этих полостях
размещаются ионы: Na, Mg, Ca и др. Благодаря такому строению, цеолиты обладают способностью
ЭКОЛОГИЯ
В сточных водах, образующихся на современных
предприятиях, преобладают примеси, которые неотносятся к категории сильно токсичных: хлориды,
сульфаты, нитраты и фосфаты натрия, калия, кальция, аммония, магния, железа, меди, органические
продукты, взвешенные вещества, нефтепродукты,
СПАВ, масла и т.д. Основными загрязнителями сточных вод МП г. Омска «Тепловая компания» являются нефтепродукты. На каждой котельной, которая
использует воду в качестве средства производства
тепловой энергии, образуется определенное количество сточных вод. Большую опасность для водоемов
представляют воды, загрязненные нефтепродуктами. Источниками появления нефтепродуктов в стоках котельных являются мазутохозяйство, главный
корпус электростанции (за счет спусков масла из
маслоохладителей турбин и подшипников насосов),
электротехническое оборудование (трансформаторы, кабели и др.), вспомогательные службы (депо,
гаражи, компрессорная). Общий расход таких вод
на крупных котельных установках может достигать
нескольких десятков тонн в час при средней концентрации в них нефтепродуктов до 50 мг/кг и выше.
В схемах очистки нефтесодержащих сточных
вод основными сооружениями являются нефтеловушки, в которых улавливается до 90–95% нефти,
возвращаемой в технологический процесс. От эффективной работы нефтеловушек зависит качество
очистки воды в последующих сооружениях. На
207