Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние охраны водных объектов от загрязнения сточными водами сосредоточенных выпусков и рассредоточенным стоком 11
2. Разработка основных положений, определяющих целесообразность использования БИС 25
2.1. Направленность структурного развития БИС 25
2.2. Основные принципы устройства БИС для доочистки сточных вод сосредоточенных выпусков и рассредоточенного стока 36
3. Исследование влияния конструктивных особенностей биоинженерных систем на динамику процессов доочистки сточных вод 47
3.1. Динамика процессов, происходящих при доочистке воды от фосфора 50
3.3.1. Динамика процессов доочистки водных масс от фосфора в системах периодического действия 51
3.1.2. Динамика процессов доочистки водных масс от фосфора в системах постоянного действия 58
3.2. Динамика процессов, происходящих при доочистке воды от соединений азота в биоинженерных системах различной конструкции 76
3.3. Динамика процессов, происходящих при доочистке воды от тяжелых металлов в системах различной конструкции 88
4. Исследование динамики процессов в биоинженерных системах доочистки сточных вод сосредоточенных выпусков 94
4.1. Изучение роли основных факторов абиотической среды на формирование массы биологической загрузки БИС 96
4.1.1. Влияние химического состава сточных вод на формирование биомассы и структуру биологической загрузки 96
4.1.2. Изучение влияния теплового загрязнения на трансформацию биологической загрузки системы доочистки 100
4.2. Разработка допустимых параметров ингредиентного состава сточных вод, поступающих в систему доочистки 105
4.2.1. Исследование динамики процессов доочистки водных масс от суммы консервативных ингредиентов сточных вод 106
4.2.2. Исследование динамики процессов доочистки воды в БИС от органического, бактериального загрязнения 113
4.2.3. Исследование динамики процессов доочистки воды в БИС от абиогенных элементов 127
5. Исследование динамики процессов очистки руслового и рассредоточенного стока биоценозом верховьев водохранилищ 136
5.1. Расчет массы загрязнения, поступающего в верховья 140
5.2. Исследование динамики процессов очистки водных масс от биогенного и фитопланктонного загрязнения биоценозом верховьев водохранилища 147
5.3. Расчет эффективности биологической загрузки из манника большого в БИС верховьев водохранилища 157
5.4. Обоснование устройства БИС в верховьях водохранилища для очистки руслового и рассредоточенного стока 159
5.5. Динамика процессов доочистки воды от фитопланктона наплавным биоплато водозаборного канала 163
6. Технология организации и использования БИС для охраны водных объектов от загрязнения сточными водами и рассредоточенным стоком 170
6.1. Организация и использование БИС для доочистки сточных вод сосредоточенных выпусков 170
6.1.1. Формирование биологической загрузки БИС 171
6.1.2. Расчет гидравлических параметров БИС 176
6.1.3. Расчет гидрохимических параметров БИС 180
6.1.4. Разработка технологической схемы БИС 183
6.2. Технология организации и использования БИС в верховьях водохранилищ для очистки руслового и рассредоточенного стока 186
6.2.1. Формирование биологической загрузки верховьев 187
6.2.2. Гидрохимические и гидробиологические показатели БИС 188
6.2.3. Гидравлический контроль в БИС верховьев водохранилищ 189
6.2.4. Устройство БИС в верховьях водохранилища 190
7. Эколого-экономическая оценка эффективности БИС в охране водных объектов от загрязнения сточными водами 193
7.1. Оценка эффективности БИС доочистки сточных вод сосредоточенных выпусков 193
7.2. Оценка эффективности БИС очистки руслового и рассре -доточенного стока в верховьях Волчихинского водохранилища 198
Заключение 202
Список использованных источников 206
- Направленность структурного развития БИС
- Исследование динамики процессов доочистки водных масс от суммы консервативных ингредиентов сточных вод
- Формирование биологической загрузки БИС
- Оценка эффективности БИС очистки руслового и рассре -доточенного стока в верховьях Волчихинского водохранилища
Введение к работе
Актуальности проблемы. В связи с несовершенством существующих технологий и способов очистки сточных вод сосредоточенных выпусков и отсутствием таковых для очистки рассредоточенного стока, возникает необходимость разработки технологии, использование которой позволит выполнять водоохранные функции за счет перехвата массы загрязнений перед поступлением их в водный объект. Таким требованиям может соответствовать технология использования биоинженерных систем (БИС), основой биологической загрузки которых являются растительные биоценозы. Перспективность устройства БИС заключается не только в эффективности использования высшей растительности в поглощении и трансформации загрязняющих веществ, но и в том, что эти системы управляемы с точки зрения формирования биологической загрузки и регулирования процессов самоочищения водных масс от совокупности загрязняющих веществ. Технология использования БИС должна предусматривать не только охрану водных объектов от загрязнения сточными водами различной категории, т.е. решения вопросов снижения антропогенного пресса на водотоки и водоемы, но и вопросы рационального использования биомассы растительности, применяемой в качестве биологической загрузки в сооружениях очистки и доочистки сточных вод.
Целью диссертации является: разработка технологии организации и использования БИС для охраны водных объектов от загрязнения сточными водами сосредоточенных выпусков и рассредоточенным стоком.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
- изучить влияние конструктивных особенностей БИС и гидравлической нагрузки на динамику процессов доочистки водных масс от химических ингредиентов;
изучить динамику процессов доочистки сточных вод сосредоточенных выпусков и рассредоточенного стока от органических, биогенных веществ, тяжелых металлов в БИС;
оценить влияние абиотической среды БИС на формирование биологической загрузки с целью оптимизации процессов доочистки сточных вод;
изучить влияние аллохтонного и автохтонного органического вещества, поступающего в БИС, на динамику процессов доочистки водных масс от химических ингредиентов;
выполнить анализ эколого - экономической эффективности использования БИС в охране водных объектов от загрязнения сточными водами различной категории.
Научная новизна исследований:
разработаны основные положения, определяющие целесообразность использования БИС для охраны водных объектов от загрязнения сточными водами различной категории, основой биологической загрузки которых является биоценоз высшей растительности;
впервые получены количественные зависимости влияния абиотической среды на формирование биологической загрузки системы доочистки и очистки сточных вод;
получены зависимости динамики процессов доочистки водных масс от совокупности органических, биогенных веществ, тяжелых металлов в БИС;
впервые разработаны предельные значения поступления в БИС аллохтонного, автохтонного органического вещества и теплового заірязнения, не оказывающих отрицательного влияния на динамику процессов доочистки водных масс от химических ингредиентов;
доказана возможность прогрессивного снижения загрязнения биогенными элементами водоисточников и предотвращения их эвтрофирования.
Объект исследований - биоинженерные системы доочистки сточных вод сосредоточенных выпусков и очистки рассредоточенного стока.
Предмет іісследоваїшії - процессы, происходящие с органическими, биогенными веществами, тяжелыми металлами и бактериальным загрязнением сточных вод сосредоточенных выпусков и рассредоточенного стока под действием биологической загрузки БИС.
Методы исследований. В работе применен комплекс методов исследования, включающий: лабораторное и натурное моделирование; системный комплексный подход к анализу полученных автором и имеющихся в литературе материалов. Для количественного описания экспериментальных данных использованы стандартные методы и пакет прикладных статистических програм:- для ПЭВМ "Statgrafics".
Научные положения, выносимые на защиту:
основные положения, определяющие целесообразность использования БИС для охраны водных объектов от загрязнения сточными водами;
влияние конструктивных особенностей БИС и гидравлической нагрузки на процессы доочистки водных масс от химических ингредиентов;
оценка влияния абиотической среды БИС на формирование биологической загрузки с целью оптимизации процессов доочистки сточных вод;
результаты исследования влияния аллохтонного и автохтонного органического вещества на динамику процессов доочистки водных масс от химических ингредиентов;
технология организации и использования БИС для охраны водных объектов от загрязнения сточными водами сосредоточенных выпусков и рассредоточенным стоком, основным элементом биологической загрузки которых является высшая водная растительность.
Практическая значимость работы:
- разработана технология организации и использования БИС для
охраны водных объектов от загрязнения сточными водами сосредоточенных
выпусков и рассредоточенным стоком, основой биологической загрузки
которых является высшая водная растительность;
предложена принципиальная схєі\ш рационального использования растительности верховьев водохранилища для очистки руслового и рассредоточенного стока и в качестве кормовых ресурсов в животноводстве;
в результате анализа практического использования БИС, основой биологической загрузки которых является высшая водная растительность, доказана эколого - экономической эффективность их в охране водных объектов от загрязнения сточными водами различной категории.
Реализация результатов работы.
Разработанная на основе научных результатов технология организации и использования БИС для охраны водных объектов от загрязнения сточными водами сосредоточенных выпусков и рассредоточенным стоком внедрена:
для доочистки сосредоточенного выпуска хозяйственно - бытовых сточных вод г.Полевского и промышленных сточных вод Северского трубного завода общим объемом 17520000 м3год в БИС, расположенной перед поступлением стока в водный объект;
для очистки руслового и рассредоточенного стока, поступающего в водохранилище в форме рекомендации по конструктивному решению организации БИС в верховьях Волчихинского водохранилища;
- для доочистки воды от основной массы органического вещества
(фитопланктона) и биогенных элементов, поступающей из Волчихинского
водохранилища в БИС (наплавное биоплато - опытно-производственный
образец), расположенного в водозаборном канале, перед поступлением воды
на станцию водоподготовки.
Рассматриваемые вопросы разрабатывались автором в соответствии с государственным координационным планом научных работ в РосНИИВХ, а также хоздоговорных работ в период с 1981 по 1999 гг.
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на научной конференции в ТСХА (г.Москва, 1982 г), научно -техническом семинаре ЦЦНТП (г.Челябинск, 1984 г), научно - практической конференции ВАСХНИЛ (г.Жодино Минской области, 1990 г), научно-практической конференции «Экологическая безопасность использования
сточных вод и животноводческих стоков в сельском хозяйстве» (г.Барнаул, 1995 г), Международной практической конференции «Геология-6 Урало-Каспийского региона» (г.Уфа, 1996 г), Международных симпозиумах "Чистая вода России-97" и "Чистая вода России-99" (Екатеринбург, 1997 г, 1999 г), VI гороно-геологический форум (Санкт-Петербург, 1998 г).
Публикации. По теме диссертации материал опубликован в монографии, 15 статьях, 14 тезисах, 2 "Рекомендациях...'', патенте на изобретение.
Объем и структура работы: Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения, списка использованных источников, включающего 254 наименования. Работа изложена на 232 страницах машинописного текста, содержит 37 рисунков, 48 таблиц.
Направленность структурного развития БИС
Анализ существующих технологий очистки сточных вод различной категории показывает, что при очистке промышленных сточных вод от металлов с использованием физико-химических, химических методов можно защитить водный объект от поступления в него значительной массы загрязняющих ингредиентов с сосредоточенными их выпусками. Очевидно, в значительной мере решаемы и проблемы охраны водных объектов от поступления загрязнений с рассредоточенным стоком хво-стохранилищ промышленных предприятий при условии надлежащего контроля, т.е. достаточно надежной изоляции и при необходимости - реа-гентной обработки стока. В целом, способы очистки сточных вод, содержащих металлы, основаны на физико-химических методах извлечения основной массы металлов из воды: осаждения, концентрации, локализации с последующим выведением из очистного сооружения, переработки или захоронения. Сложнее с помощью существующих методов изъять из сточных вод остаточные концентрации ингредиентов, которые при поступлении со стоком в водный объект аккумулируются в нем и оказывают отрицательное воздействие на биоту, а следовательно, на самоочищающую способность водотока или водоема. Решение проблемы удаления остаточных концентраций металлов из воды после традиционных способов очистки возможно с помощью экотехнологического подхода, предусматривающего изъятие ингредиентов биологической загрузкой БИС перед поступлением стока в водный объект или в самом водном объекте.
Что касается биогенсодержащих сточных вод (биогены в растворенном состоянии или в составе органического вещества), то извлечение их из водных масс основано на процессах продукции-деструкции с участием биологических объектов (бактерио - зоо - фитоценозы). Так, при очистке хозяйственно-бытовых сточных вод на типовых очистных сооружениях основная роль отводится гетеротрофам (бактерио - зооценозам), выполняющим деструкцию органического вещества сточных вод до минеральных форм, окисление восстановленных форм минеральных компонентов. Процесс очистки сопровождается наращиванием биомассы бактериальных клеток и низших форм населения активного ила с последующим выведением биологической загрузки из водных масс и утилизации ее как органического вещества.
Аналогичный биологический процесс очистки выполняется биоценозом полей фильтрации, где можно очистить или доочистить хозяйственно-бытовые, животноводческие сточные воды. Однако, группа биологических объектов, принимающих участие в процессах трансформации органических и минеральных составляющих сточных вод, более широка (бактерио - зоо - фитоценозы), а также почвенный поглощающий комплекс как природный сорбент. С другой стороны, данный процесс очистки слабо контролируемый, а эффективность его зависит от многих факторов (нагрузка сточных вод, механический состав почвы, климатические условия и др.). По расчетам ряда исследователей, очистка сточных вод на полях фильтрации в 2-3 раза дороже, чем на типовых очистных сооружениях (159.). Известно, что на полях фильтрации в процессах трансформации загрязнений эффективно работает биопленка, образующаяся на поверхности почвы и аэробный слой почвы глубиной 20-30 см.
Повышение эффективности использования почвенного биоценоза и сокращение земельных площадей под поля фильтрации идет в направлении организации земледельческих полей орошения, т.е. усложнения биологической загрузки системы доочистки, путем включения в очистку сточных вод биоценозов высшей растительности, в данном случае культурных злаков (многолетние травы) с утилизацией воды при формировании биомассы растений. Введение в состав биоценозов полей орошения звена высшей растительности позволяет не только полностью утилизировать сточные воды, подаваемые на орошение, но и увеличить объем утилизируемых сточных вод путем подбора культур с целью наращивания биомассы растений. Эффективность использования высших растений (особенно злаковых культур) в процессах утилизации сточных вод в системе полей орошения обусловлена физиологическими особенностями организмов и, прежде всего, интенсивным поглощением ингредиентов из питательного субстрата, накоплением их в количествах, в десятки раз превышающих содержание в окружающей среде (160) и с последующей трансформацией их в органические соединения или пассивного удержания в растении в течение всего вегетационного периода и изъятия с биомассой растений в конце периода вегетации (табл.2).
Если рассматривать высшую растительность, т.е. растительный организм с дифференцированной структурой тканей и органов, наличием корневой системы как органа поглощающего и трансформирующего поглощенные ингредиенты в органические соединения, как биологическую загрузку в системах очистки и доочистки сточных вод, то очевидно, что это сорбент с широким спектром поглощения ингредиентов как по разнообразию так и по массе (емкости поглощения).
Автором выполнены исследования по использованию биологической загрузки из высшей растительности (зерновых злаков) в системах утилизации навозосодержащих сточных вод. Поскольку процесс формирования биомассы, а соответственно и утилизирующая способность в естественных условиях ограничена технологией выращивания культур, сезонными (вегетационными), почвенными условиями, можно значительно интенсифицировать все эти процессы размещением основной части биологической загрузки (растительного биоценоза) в искусственных условиях, оптимальных для формирования максимальной биомассы за минимальный промежуток времени. В условиях гидропоники, при выращивании гидропонного корма на искусственных питательных субстратах, за 10-тидневный период выращивания зерновых культур (в зависимости от вида культуры и нормы закладки семян) на 1 м2 формируется биомасса 20-35 кг (161-170). Причем, образованию значительной биомассы в условиях гидропоники способствует более широкое манипулирование процессом трансформации органического вещества сточных вод в неорганические соединения за счет микробиологической деструкции его аммонифицирующими бактериями ризосферы (171-173). Максимальное поглощение биогенных элементов растениями создает условия для значительной или полной утилизации сточных вод в процессе формирования биомассы.
Следует подробнее остановиться на данном аспекте решения проблемы охраны водных объектов от загрязнения навозосодержащими сточными водами. Автором выполнены исследования по подбору биологической загрузки гидропоникума и рекомендовано использовать ячмень с нормой загрузки семян-3 кг/м2 (174-176). Определены условия формирования максимальной биомассы, необходимость периодической подачи питательного субстрата корням растений, регулирование воздушно-водного режима для нормального протекания физиологических процессов (176). Установлен период интенсивного наращивания биомассы, составляющий не более 10 дней, после чего необходима смена загрузки гидропоникума (177-179). Выполнены исследования по подбору питательного питательного субстрата из жидкой фракции навоза с максимальным содержанием химических ингредиентов, утилизируемых в процессе формирования биомассы растений за 10-тидневный период выращивания (180-185).
В целом процесс поглощения и утилизации навозосодержащих сточных вод в гидропоникуме основан на деструкции органического ве зо щества сточных вод бактериальной загрузкой биологического фильтра с одновременным поглощением минеральных ингредиентов и наращиванием бактериальной массы, отдувкой части аммония в результате повышения рН, перевод минеральных форм ингредиентов в органическую массу высшими растениями, затем перевод растительной биомассы в биопродуктивность животных (продукция молока и мяса) , которым скармливается гидропонный корм. Полученные уравнения расчета формирования биомассы и утилизации навозосодержащих сточных вод, используемых в качестве питательного субстрата для растений, в зависимости от содержания основных ингредиентов - аммонийного азота и калия позволяет выполнить расчет оптимальных параметров гидропоникума - утилизатора навозосодержащих сточных вод.
Исследование динамики процессов доочистки водных масс от суммы консервативных ингредиентов сточных вод
Исследование динамики процесса трансформации нефтепродуктов, поступающих в систему доочистки с промышленным стоком, выполнены в пределах концентраций нефтепродуктов от 0,3 до 2,0 мг/л. В результате анализа данных и их выборки получены уравнения снижения данного ингредиента в водных массах в зависимости от времени пребывания воды в системе доочистки и времени года. Так, во вневегетационный период, снижение содержания нефтепродуктов во времени описывается следующим уравнением:
Ct=C0exp.- 131t (52)
Коэффициент корреляции - 0,87
Полученная зависимость расчета снижения концентрации нефтепродуктов в стоке, подаваемого на доочистку справедлива в пределах концентраций до 1,0 мг/л. Во вневегетационный период содержание нефтепродуктов в системе доочистки снижается более интенсивно, чем в вегетационный. Так, за пятидневный период времени контакта воды с биоценозом системы доочистки концентрация нефтепродуктов снижается практически на 35 %, а остаточное содержание ингредиента в воде, выходящей из системы доочистки на десятые сутки составляет 0,32 мг/л, т.е. снижается практически на 70 %.
Интенсивность процесса доочистки водных масс от нефтепродуктов в вегетационный период снижена и в сравнении с не вегетационным периодом, за то же время пребывания воды в системе доочистки, остаточное содержание нефтепродуктов на выходе из системы значительно выше. Так, за пятидневный период времени контакта воды с биологической загрузкой системы доочистки содержание нефтепродуктов в ней снижается до 0,89 мг/л, т.е. на 9 %, а через десять суток - до 0,6 мг/л, т.е. на 40 %. Зависимость снижения концентрации нефтепродуктов во времени в вегетационный период описывается уравнением:
Ct = Coexp.- 07t (53)
Коэффициент корреляции - 0,88
Меньшая интенсивность процесса доочистка водных масс от такого ингредиента как нефтепродукты в вегетационный период, по-видимому, объясняется меньшей вязкостью.
Коснемся вопроса трансформации (перераспределения) массы нефтепродуктов в БИС при доочистке водных масс от данного ингредиента. Результаты исследований по накоплению нефтепродуктов в донных отложениях приведены в таблице 17.
Данных (за пятилетний период подачи в систему доочистки сточных вод с выше указанным содержанием нефтепродуктов), свидетельствует о незначительном изменении содержания нефтепродуктов в донных отложениях, как по суммарным показателям, так и по фракциям, в зависимости от места поступления сточных вод в БИС. Несколько повышенное содержание их в донных отложениях, расположенных ближе к месту поступления стока в систему доочистки, можно объяснить седиментацией их со взвешенными частицами стока. Концентрирующиеся в донных отложениях нефтепродукты, трудно поддаются деструкции, а соответственно увеличиваются по массе во времени, что по истечении определенного периода может явиться причиной вторичного загрязнения воды вследствие поступления их из донных отложений (229,230).
Таким образом, при поступлении в систему доочистки сточных вод с концентрацией нефтепродуктов порядка 1,0 мг/л, только во вневе-гетационный период за десятидневный период времени пребывания воды в системе с загрузкой из ВВР произойдет доочистка водных масс от данного ингредиента до показателей общесанитарного норматива (0,3 мг/л). В вегетационный период эти показатели в 2 раза выше, а с сокращением времени пребывания воды в системе доочистки, в три раза превышают общесанитарный норматив качества воды. Повышение эффективности доочистки сточных вод от нефтепродуктов в системе с биологической загрузкой, в силу ограниченности ее воздействия на процессы доочистки водных масс от данного ингредиента, возможно снижением нагрузки на систему, т.е. снижением концентрации нефтепродуктов в стоке, до поступления его в БИС.
Что касается металлов, и в частности железа, динамика процесса доочистки водных масс от данного ингредиента в вегетационный период имеет четкую направленность на поглощение его биологической загрузкой системы доочистки и депонирование в донные отложения. В пределах изученных концентраций железа в воде, поступающей в БИС, получены зависимости снижения содержания данного компонента во времени в системе доочистки в вегетационный и во вневегетационный периоды. Зависимости справедливы для концентраций ингредиента в воде до 0,5 мг/л. В вегетационный период процесс снижения содержания железа подчиняется следующей зависимости:
Ct = Coexp.- 698t (54)
Коэффициент корреляции -0,95.
В течение пяти суток происходит изменение концентрации от 0,5 мг/л до 0,013 мг/л, т.е. на 98 %. Во вневегетационный период интенсивность процесса доочистки водных масс от данного ингредиента снижается и за выше указанный период времени пребывания воды в системе доочистки концентрация железа изменяется до 0,14 мг/л, т.е. на 72 %, а на десятые сутки снижается до 0,04 мг/л, т.е. на 92 %. Зависимость снижения концентрации железа во времени в воде системы доочистки во вневегетационный период описывается уравнением:
Q = Со exp.- 250t (55)
Коэффициент корреляции - 0,93
Таким образом, в вегетационный период процесс самоочищения водных масс от железа протекает интенсивно и практически в течении первых суток происходит снижение его концентрации с 0,5 мг/л до общесанитарного норматива (0,3 мг/л), а в течении вторых суток и до ры-бохозяйственного норматива (0,1 мг/л). В целом, процесс самоочищения водных масс от железа происходит интенсивно и во вневегетационный период. Эффективное поглощение железа биологической загрузкой системы доочистки и депонирование его в донные отложения создает видимость возможности подачи в систему доочистки сточных вод с более высоким содержанием железа. Однако выполненные автором исследования по изучению потоков железа в системах, накопивших этот элемент в значительных концентрациях в донных отложениях, дают основания к ограничению нагрузок на систему доочистки по данному ингредиенту до пределов изученных концентраций. Как консервативный элемент, железо, отсорбированное донными отложениями или выведенное из водных масс биологической загрузкой, а затем возвращенное после деструкции загрузки в донные отложения, при определенной концентрации его в донных отложениях может быть источником вторичного загрязнения воды системы доочистки (228).
В таблице 18 представлены результаты исследования по накоплению донными отложениями системы доочистки железа, цинка, марганца за пятилетний период подачи сточных вод с концентрацией железа порядка 0,5 мг/л, марганца - 0,5 мг/л, цинка - 0,005мг/л с расходом воды 2000 м3/ч.
Формирование биологической загрузки БИС
Прежде всего, следует отметить, что при формировании биологической загрузки используются местные виды высшей водной растительности, наиболее распространенные в естественных водоемах, из которых они и отбираются. Для неизученных по своим поглотительным характеристикам растений производятся специальные гидробиологические исследования.
В системах доочистки сточных вод не исключающих поступления теплового загрязнения в зимний период, целесообразно вначале системы доочистки формировать биоценоз из погруженных видов ВВР, обладающих способностью круглогодичной вегетации (элодея канадская, валлис-нерия).
При формировании растительного биоценоза ботанической площадки следует основное внимание уделить посадкам воздушно - водной растительности, и, в частности, тростнику обыкновенному. Посадку данного вида следует осуществлять растениями с почками, размещая их по 6 - 8 шт. /м2, из расчета быстрой разрастаемости. Можно осуществлять посадку растений семенами, собранными со взрослых растений в конце вегетационного периода, однако посадка семенами, в силу низкой всхожести, не исключает посадку вегетативными органами - почками.
Кроме тростника обыкновенного можно использовать рогоз широколистный и узколистный, камыш озерный и другие виды воздушно -водной растительности, произрастающей в конкретной местности. Поскольку тростник обыкновенный распространен практически повсеместно и обладает способностью быстрого формирования стеблестоя, поэтому на данный вид воздушно - водной растительности следует обратить особое внимание при организации сооружения с биологической загрузкой для доочистки сточных вод сосредоточенных выпусков. Из погруженных видов высшей водной растительности при формировании биоценоза ботанической площадки следует использовать элодею канадскую, обладающую способностью круглогодичной вегетации.
При организации сооружения доочистки сточных вод следует особенно тщательно выполнять планировку дна, что в последующем определяет равномерное формирование массивов высшей водной растительности.
Тепловое загрязнение, поступающее в БИС со сточными водами в зимний период, отрицательно влияет на физиологию воздушно-водных растений, что проявляется как массовое выпадение, значительное изре-живание зарослей или полное их исчезновение. Прогнозный расчет формирования стеблестоя тростника, в зависимости от массы теплового загрязнения поступающего в систему доочистки в зимний период, выполняется по уравнению:
Nc0 = Noexp.- 32Ct (91)
При формировании биологической загрузки сооружения из нескольких видов воздушно-водной растительности или высшей водной растительности заросли не должны быть смешаны.
В целях эффективной работы и длительного использования биологической загрузки БИС, следует перед подачей сточных вод в сооружение произвести предварительный отстой их от взвешенных веществ и теплового загрязнения в отдельных сооружениях.
В системах доочистки сточных вод, содержащих бактериальное загрязнение, загрязнение яйцами гельминтов, но не несущих загрязнения тяжелыми металлами, в качестве биологической загрузки используются все выше приведенные виды высшей водной растительности с изъятием ее биомассы из системы доочистки в конце вегетационного периода, компостированием и использованием в качестве органического удобрения на сельскохозяйственных угодьях.
Расчет первоначальной массы биологической загрузки при организации БИС определяется биологической способностью видов высшей водной растительности к воспроизводству. Для наиболее распространенных корнеотпрысковых видов высшей водной растительности: тростника, камыша, рогоза расчет загрузки при минимальной норме посадки: рогоза - 4 раст./м2, тростника, камыша - 8 раст./м2 следующий:
- для доочистки сточных вод с незначительным содержанием биогенных элементов (уравнения 85,86);
- для доочистки сточных вод со значительным содержанием органического и биогенного загрязнения - хозяйственно - бытовых, рассредоточенного стока с сельскохозяйственных угодий и животноводческих предприятий, производится по уравнениям 87,88.
При изменении минимальной численности стеблестоя в уравнение вводится поправочный коэффициент, соответствующий кратности увеличения.
Формирование зарослей манника выполняется произвольно, с использованием корневищ и стеблей, имеющих в пазухах листьев почки возобновления.
Проектной следует считать численность стеблестоя рогоза - 40 раст./м2 или 2,0 кг/м2 сухого вещества стеблей; тростника и камыша - ни менее 80 раст./м2 или 1,5 - 2,0 кг/м2 сухого вещества стеблей.
Определение поглотительной способности биоинженерного сооружения доочистки сточных вод можно производить по накоплению ингредиентов в основной биологической загрузке БИС из расчета средних показателей накопления их в различных видах растений (таблица 41).
Оценка эффективности БИС очистки руслового и рассре -доточенного стока в верховьях Волчихинского водохранилища
При условии, что в период весеннего паводка весь объем воды будет пропущен по руслу основного водотока, в водохранилище поступит масса общего азота, равная 115,93 т, а общего фосфора - 4,46 т. Согласно полученным уравнениям расчета снижения концентрации общего азота и фосфора, поступление их в вегетационный период в водохранилище составит следующие величины: 1,76 т и 1,18 т соответственно, а во вневегетационный - 2,18 т и 0,45 т. В сумме в водохранилище поступит 119,87т азота общего и 6,09т фосфора общего, т.е. 33,7% и 36,5% от общей массы, поступающей с объемом воды в верховья водохранилища. Тогда, с учетом задержания основных биогенных ингредиентов на биоплато, средняя концентрация их в воде водохранилища должна составить: 0,46 мг/л - для общего азота и 0,02 мг/л - для общего фосфора, т.е. до экологического норматива, что ориентировочно снизит водорослевое загрязнение на порядок.
Весь массив водной растительности при своем возобновлении (либо промежуточном укосе в период вегетации) составит биомассу в 5640т сухого вещества с содержанием общего азота 1,915 %, фосфора -0,234%. Показатели питательной ценности манника как кормового растения приведены в таблице 48.
Сравнительный анализ данных биохимического состава манника, произрастающего в верховьях Волчихинского водохранилища с биохимическим составом традиционных видов кормов - сеном луговым, и силосом кукурузным показал, что по содержанию сырого протеина, сахара, фосфора и другим показателям данный вид корма несколько превосходит по качеству сено луговое и более питателен, чем силос кукурузный.
В зависимости от того, в каком виде биомасса манника будет включена в кормовой рацион животных, определяется кормовая база животноводческого предприятия. Так, если использовать биомассу манника в качестве силосной массы, включая в рацион крупного рогатого скота по 15 кг на голову в сутки, то полученной биомассы достаточно для круглогодичного кормления 8000 животных.
При существующей площади распространения манника при двух укосах за сезон можно получить 676,8 т сырого протеина, что равнозначно 6507,7 т зерновой смеси, а по кормовым единицам - 3253,8т. При расчете, что одна тонна овса (1 кг овса = 1 кормовой единице) стоит 1500 рублей, общая стоимость биомассы растительности, изъятой из акватории верховьев составляет 4880700 рублей.
Что касается массы металлов, поступающих в водохранилище со стоком р. Чусовой, а также с боковой приточностью, особенно по р.Исток, то в год 50 % обеспеченности баланс данных ингредиентов в водохранилище различен. Так, поступление железа составляет порядка 18,9 т (при усредненной концентрации его в стоке - 0,3 мг/л), а вынос с растительной продукцией манника составит 9,44 т. Таким образом, баланс водохранилища по железу будет положительным, хотя концентрация его в воде на входе в снизится практически на 50 %, что позволит повысить класс качества воды по данному ингредиенту - до II класса. Отрицательный баланс по поступлению железа в верховья Волчихинско-го водохранилища и его изъятие растительностью возможен в год 95 % обеспеченности.
Положительным будет и баланс по меди, свинцу, мышьяку. Годовое поступление меди в верховья водохранилища составит 319,0 кг (при средней концентрации 0,005 мг/л), а вынос с растительной продукцией манника - 56 кг, т. е. концентрация меди в воде снизится практически на 17 %. Годовое поступление свинца - 63,8 кг ( при средней концентрации его в воде 0,001 мг/л ), а вынос с растительной продукцией - 11,72 кг, мышьяка-51,04 кг (при средней концентрации его в стоке - 0,0008 мг/л ), а поглощается растениями за вегетационный период 7,2 кг. В отличие от такого ингредиента как железо, баланс по меди, свинцу, мышьяку даже в год 95 % обеспеченности в Волчихинском водохранилище будет положительным.
С другой стороны, если рационально не использовать воздушно-водную растительность верховьев для очистки руслового и рассредоточенного стока с последующим изъятием биомассы из акватории, то с прекращением вегетации в процессе деструкции растений в водохранилище поступит 108 т азота, 13 т фосфора, 2256 Гкал. энергии.