Экологические системы естественных аэрационных очистных сооружений

ЭКОСИСТЕМЫ БИОЛОГИЧЕСКИХ ПРУДОВ

Процесс очистки в биологических прудах складывается из нескольких самостоятельных и взаимосвязанных процессов: механического осаждения, биофлокуляции, аэробного окисления, анаэробного распада, метанового брожения, фотосинтеза и др. Все факторы, влияющие на процессы самоочищения в водоемах, в той или иной степени оказывают воздействие и на процесс очистки в прудах. К основным экологическим факторам, определяющим условия жизни микро- и макроорганизмов в биологических прудах, относятся следующие: количество и качество поступающего загрязнения, кислородный режим пруда, климатические условия. Под влиянием этих факторов формируется биоценоз пруда.

В настоящее время биологические пруды используются как для очистки сточных вод, так и для доочистки воды после механической и биологической очистки. Условия существования организмов в прудах при этом различны, что, безусловно, влияет и на состав биоценоза, и на интенсивность окислительных процессов в них.

Количество поступающего в пруды загрязнения (нагрузку), принято выражать в килограммах БПК или в кубических метрах сточной воды на единицу поверхности пруда в сутки. Нагрузка влияет на газовый режим водоема, и в зависимости от ее величины различают анаэробные, факультативно аэробные и аэробные пруды. Разделение прудов или зон в прудах по степени аэробиозиса возможно как по горизонтали или вертикали, так и во времени.

В анаэробных прудах и зонах основной агент очистки—бактерии, причем значительную роль играют процессы метанового брожения. Водоросли и микрофауна, как правило, отсутствуют. Процессы окисления идут в присутствии избытка органических веществ и недостатка кислорода, при этом вследствие низкого выхода энергии в анаэробных процессах бактерии для обеспечения своей жизнедеятельности вынуждены перерабатывать большие количества субстрата. Поэтому в анаэробных условиях, в сутки перерабатываются сотни килограммов БПК на площади 1 га.

После очистки в анаэробных прудах БПК очищаемой жидкости все еще остается высокой, и жидкость должна быть подвергнута дальнейшей очистке в серии проточных прудов или, если принят контактный метод, то в том же пруду, но в аэробных условиях. Анаэробный процесс в прудах сопровождается выделением десятков кубометров дурнопахнущих газов с гектара в сутки. По этой причине анаэробные пруды в настоящее время в СССР не используются.

Факультативно аэробные, или аэробно-анаэробные, пруды распространены наиболее широко. В зависимости от климатических условий, от предварительной очистки сточной жидкости и от требований к качеству очищенной воды нагрузка в аэробно-анаэробных прудах колеблется в пределах от немногих килограммов до 200—300 кг БПК/га·сут.

Для факультативно аэробных прудов характерна стратификация процессов. В то время как в поверхностных слоях интенсивно протекает фотосинтез и вода пересыщается кислородом, в придонных слоях глубоких прудов может наблюдаться полное отсутствие кислорода, восстановление сульфатов и метановое брожение. Основной источник кислорода в аэробно-анаэробных прудах—фотосинтез. Поступление кислорода за счет атмосферной аэрации весьма ограничено и не превышает нескольких граммов О2 на 1 м2 за сутки. Это объясняется тем, что поверхностные слои воды, соприкасающиеся с атмосферой, обычно не испытывают дефицита кислорода.

Для аэробно-анаэробных прудов, как и для водоемов мезосапробной зоны, характерно резкое отличие в содержании кислорода в дневные и ночные часы. Днем вода обогащается кислородом за счет фотосинтеза, а ночью кислород потребляется в процессе дыхания животных и растений и иногда в воде наблюдается дефицит кислорода.

Рисунок

Биоценоз аэробно-анаэробных прудов богат и разнообразен. Основная роль в нем принадлежит протококковым водорослям и различным бактериям. Из водорослей особенно широко представлены различные виды Chlorella, Scenedesmus, Ankistrodestnus. Встречаются представители эвгленовых, вольвоксовых и других водорослей. Обычно в каждом пруду преобладает один вид водорослей, остальные развиваются в значительно меньшем количестве. По-видимому, это явление объясняется антагонизмом водорослей.

Помимо водорослей и бактерий, в прудах в той или иной степени представлена микро- и макрофауна: простейшие, черви, коловратки, рачки, насекомые и другие животные. При высоком качестве очищенной воды в последних секциях проточных прудов возможно разведение рыб.

На формирование биоценоза пруда большое влияние оказывает его глубина. При значительном развитии фитопланктона условия проникновения солнечных лучей настолько ухудшаются, что уже на глубине 30—40 см выделение кислорода за счет фотосинтеза становится близким к потреблению его в процессе дыхания.

Вопрос о целесообразности устройства прудов значительной глубины, т. е. целесообразности сочетания в прудах аэробной и анаэробной зон, еще недостаточно изучен и для практического применения в основном рекомендуются пруды глубиной до 1 м.

Аэробные пруды представляют собой сооружения, в воде которых высокая концентрация кислорода поддерживается за счет искусственной аэрации, механической или пневматической. Аэробные пруды рассчитываются на краткое времяпребывание (1—3 сут.) и позволяют доводить нагрузку до 300 кг БПК/га·сут., но устройство и эксплуатация их гораздо сложнее, чем первых двух типов прудов.

Качество очистки сточных вод в биопрудах исключительно высокое. Санитарные показатели очищенной в прудах воды также высоки. Водоросли обладают высокой бактерицидной активностью. За 7—10 суток пребывания в прудах городских сточных вод их коли-титр возрастал в 1000—10 000 раз (Р. И. Левина, 1966).

Применение прудов в практике очистки сточных вод, помимо своей основной задачи, может служить также методом утилизации органических веществ, содержащихся в сточных водах, путем сбора биомассы водорослей. Прирост биомассы в биологических прудах превышает количество содержащихся в сточных водах органических веществ, так как за счет фотосинтеза в прудах образуется первичная продукция (см.

Особую роль играют биопруды в процессах доочистки сточных вод. Во многих производственных сточных водах после очистки на очистных сооружениях остаются соединения, препятствующие их выпуску в водоем. В этом случае очищенную воду подвергают доочистке. Чем меньше концентрация в воде вещества, тем труднее его удалить. Например, карболовая кислота не допускается к выпуску, если ее концентрация после смешения очищенной воды с водой водоема превышает 0,001 мг/л. Это значит, что в процессе очистки следует добиваться концентрации фенолов в очищенной воде, в зависимости от условий выпуска, в сотые и даже тысячные доли миллиграмма на 1 л.

Известно, что чем меньше остается органических веществ в очищенной сточной жидкости, тем медленнее идет процесс их окисления (см. гл. V). Кислород при этом перестает быть лимитирующим фактором в процессе очистки, и аэрация стоков, очищенных до ВПК 15—20 мг/л. не повышает скорости процесса. В этом случае наиболее перспективна доочистка вод в прудах с длительными сроками пребывания воды.

Пруды хорошо способствуют удалению, из воды таких трудно-извлекаемых соединений, как нефтепродукты. В очистке воды от нефтепродуктов, фенолов и других соединений большую роль играют высшие водные растения (см. гл. XVI). Макрофиты способствуют также очистке воды от биогенных элементов.

В связи с возрастающим дефицитом пресной воды все больше растет необходимость в глубокой очистке сточных вод и в применении оборотного водоснабжения. В этом аспекте биопруды должны сыграть основную роль.

ЭКОСИСТЕМЫ ПОЛЕЙ ФИЛЬТРАЦИИ И ОРОШЕНИЯ

Очистка сточных вод путем фильтрации их через почву позволяет получить воду высокого качества.

Очистка сточных вод методом фильтрации через почву применяется с давних времен и до сих пор достаточно широко распространена. Однако все возрастающий дефицит пахотных площадей, рост цен на землю, особенно вблизи населенных пунктов, ограничивают возможности применения полей фильтрации. Поля орошения в засушливых районах, по-видимому, будут применяться и в дальнейшем.

Процесс самоочищения почвы осуществляется за счет жизнедеятельности различных почвенных организмов: бактерий, грибов, водорослей, простейших, червей и членистоногих. В стерильной почве процессы самоочищения невозможны.

На поверхности почвенных комочков микрофлора образует биопленку, суммарная поверхность которой под площадью 1 м2 составляет примерно 5 га (С. Н. Строганов).

Решающими факторами, влияющими на формирование почвенного биоценоза и, следовательно, на процесс очистки сточных вод, являются структура почвы, количество и качество очищаемой воды, подаваемой на единицу площади поверхности (нагрузка), и климатические условия. В зависимости от размеров почвенных частиц различают каменистые почвы (диаметр частиц 3 мм), песчаные (0,05—3,00 мм), пыль (0,05—0,001 мм) и ил (<0,001 мм). Эти фракции присутствуют во всех типах почв, но подразделение почв по механическому составу основано на проценте содержания. в них илистых частиц (Н. А. Качинский, 1956).

Основная роль в процессах очистки принадлежит бактериям и почвенным грибам. Они поселяются на поверхности почвенных комочков, между которыми просачивается очищаемая вода. Чем мельче частицы, тем больше у них соотношение поверхности и объема и, следовательно, тем больше микроорганизмов они способны удержать. По данным Е. Н. Мишустина и Перцовской, песок поглощает только 2 % бактериальных клеток, крупная пыль (0,05—0,01 мм)—около 70, а ил—100 % содержащихся в почве бактерий.

Рисунок

Казалось бы, чем больше в почве мелких фракций, тем большей минерализующей способностью, она должна обладать. На самом деле это не так. Питательные вещества микроорганизмы получают из сточных вод, а необходимый для окисления кислород—из атмосферы и частично за счет фотосинтетической аэрации, осуществляемой на поверхности почвы водорослями. Чем мельче почвенные частицы, тем плотнее друг к другу они лежат, тем труднее доступ к микроорганизмам кислорода и питательных веществ. Проникновение кислорода в почву ограничивается 20—30 см, и потому интенсивная минерализация органических веществ наблюдается только в поверхностных слоях.

Значительную роль в процессах очистки сточных вод на полях фильтрации и орошения играют нитрифицирующие бактерии, которые выполняют функцию «консервирования» кислорода. В летний период на площади 1 га образуется ежедневно около 70 кг нитратов. Все нитраты—растворимые соли, и вместе с током жидкости они поступают в нижние горизонты почвы, где господствуют анаэробные условия. Кислород нитратов используется денитрифицирующими бактериями на окисление оставшихся в жидкости органических соединений (см. гл. X).

Существенную роль при почвенных методах очистки сточных вод играет микрофауна. Почвенные животные, черви и членистоногие разрыхляют верхний слой почвы, тем самым способствуя проникновению в почву кислорода. Кроме того, в кишечнике беспозвоночных разлагаются многие стойкие органические вещества, такие, как целлюлоза и хитин. Таким образом, почвенный биоценоз включает организмы нескольких трофических уровней: водоросли—первичная продукция, бактерии и грибы—I трофический уровень, простейшие—II, черви и членистоногие—III трофический уровень.

На полях орошения, кроме перечисленных организмов, в биоценоз входят также высшие растения. Они способствуют удалению из почвы биогенных элементов и вступают в конкурентные отношения с нитрифицирующими бактериями, так как активно усваивают соли аммония. Корни растений улучшают структуру и аэрацию почвы, а корневые выделения способствуют развитию специфической микрофлоры.

Структура почвы оказывает большое влияние на скорость фильтрации. На песчаных грунтах скорость ее составляет 0,01 —1,0 см/с, а на илистых почвах—менее 0,001 см/с. По этой причине поля фильтрации рекомендуется устраивать на песчаных и супесчаных почвах, а тяжелые суглинки и глины для этого непригодны.

Сточные воды обычно содержат большое количество взвешенных частиц, способствующих заиливанию почвы. По этой причине перед подачей на поля орошения сточную жидкость необходимо отстаивать. В процессе отстаивания из жидкости вместе со взвешенными частицами удаляется значительная часть яиц гельминтов и бактерий.

Микроорганизмы, попадающие в почву вместе со сточными водами, частично погибают, а частично приспосабливаются к почвенным условиям. В результате антагонизма автохтонных бактерий погибает подавляющее большинство бактерий кишечной группы и в значительной степени сохраняется сапрофитная микрофлора, которая наряду с почвенными бактериями участвует в процессах минерализации органических веществ.

Воды, прошедшие очистку на полях орошения и фильтрации, практически не содержат патогенных микроорганизмов и яиц гельминтов, имеют довольно высокий коли-титр и хорошие химические показатели очистки, но сами поля представляют опасность в санитарно-эпидемиологическом отношении. По этой причине на полях орошения запрещается выращивание сельскохозяйственных культур, употребляемых в пищу в сыром виде.

Особенно неблагоприятные условия складываются при использовании полей фильтрации и орошения в зимний период, когда заторможены все биологические и химические процессы, а сточные воды замерзают. По-видимому, наиболее благоприятные условия для очистки сточных вод на полях орошения создаются в том случае, когда подача вод на поля осуществляется в летний период, а в остальное время сточная жидкость очищается на искусственных очистных сооружениях. Опыт ГДР показал перспективность такого метода очистки.