Биологические пруды и гидроботанические площадки

Биологические пруды

Биологические пруды, называемые также лагунами, - это специально созданные неглубокие водоемы, где протекают естественные процессы самоочищения воды с участием населяющих их организмов. Пруды могут быть использованы как самостоятельные системы очистки, так и для доочистки сточных вод после удаления основной массы загрязнений. Их широко применяют для очистки бытовых стоков, поступающих чаще всего в неразбавленном виде, и доочистки сточных вод предприятий пищевой и перерабатывающей, целлюлозно-бумажной и других отраслей промышленности, животноводческих ферм, очистки поверхностных (ливневых, талых) вод, дренажных сельскохозяйственных вод в условиях поливного земледелия. Очищенную воду могут использовать в системе оборотного водоснабжения предприятий, что сокращает их общее водопотребление.

Биопруды подразделяют на анаэробные, аэробноанаэробные (факультативно аэробные) и аэробные, а также высоко- и низконагружаемые, проточные и контактные. Аэробные (окислительные) пруды могут быть с естественной и искусственной аэрацией. Также могут использоваться одиночные пруды и каскад прудов.

Анаэробные условия наблюдаются в присутствии избытка органических веществ и недостатка кислорода:

• • в прудах при нагрузках по БТЖ порядка 300.. .600 кг/га-сут;
• • в придонных слоях воды в прудах глубиной 2,5 м и более даже при насыщении воды кислородом в поверхностных слоях;
• • в контактных (непроточных) прудах в первые фазы очистки после заполнения пруда сточной водой;
• • при весеннем вскрытии биологических прудов при интенсивном разложении накопившихся за зиму органических соединений.

В каскаде проточных прудов головной пруд, принимающий на себя основную массу загрязнений, также может быть анаэробным.

Протекающие в анаэробных прудах процессы нитратре-дукции, сульфатредукции, метанового брожения, восстановления окисленных форм металлов и других веществ приводят к разложению органических веществ, осаждению сульфидов тяжелых металлов. Эксплуатация подобных прудов обычно предусматривает возможность отделения активного ила от очищенной сточной воды (в отстойниках, эмшерах). Анаэробная очистка в прудах позволяет удалить 80...90 % ХПК при 25 °С (50 % - при 10 °С) при времени пребывании воды в сооружении 40...50 сут, однако содержание загрязнений в воде после анаэробной очистки остается все еще высоким, поэтому требуется ее дальнейшая очистка в каскаде проточных аэробных прудов или, если принят контактный метод, в том же пруду, но в аэробных условиях.

В России анаэробные пруды практически не используют в силу невысоких среднегодовых температур и образования большого количества дурнопахнущих веществ при функционировании таких прудов.

Аэробно-анаэробные пруды имеют глубину 1,5...2 м и аэрируются за счет естественных процессов. В поверхностных слоях воды присутствует растворенный кислород, поступающий из атмосферы или образующийся в результате фотосинтеза. Поступление кислорода за счет атмосферной аэрации ограничено и не превышает нескольких граммов Ог на 1 м² в сутки. Днем фотосинтез обогащает воду кислородом, а ночью кислород потребляется в процессе дыхания животными и растениями, при этом в воде может наблюдаться дефицит кислорода. В придонных слоях при полном отсутствии кислорода могут протекать анаэробные процессы, сульфатредукция, метановое брожение. В таких прудах большое значение приобретает осаждение взвешенных веществ и образование ила на дне.

В зависимости от климатических условий, от содержания загрязнений в сточной воде и от требований к качеству очищенной воды нагрузка в аэробно-анаэробных прудах колеблется в пределах 10.. .300 кг ВПК /га ? сут.

В аэробных прудах с естественной аэрацией насыщение воды кислородом происходит вследствие атмосферной аэрации и фотосинтеза. Такие пруды имеют небольшую глубину (0,3... 1 м), хорошо освещаются и прогреваются солнечными лучами, что приводит к интенсивному развитию планктонных водорослей и донных высших растений. Очищаемая вода передвигается в них с очень малыми скоростями. Время пребывания воды в этих прудах колеблется от 7 до 60 сут. Если биологические пруды являются самостоятельным очистным сооружением, сточные воды, пройдя отстойники, разбавляются до поступления в пруды 3-5 объемами технической воды. Нагрузка на них: для отстойных сточных вод без разбавления - до 250 м³/ га • сут, для биологически очищенных - до 500 м³/ га ? сут.

Достоинства прудов с естественной аэрацией - простота устройства и обслуживания, минимальные эксплуатационные затраты. Однако скорости изъятия и биологического окисления органических загрязнений в таких прудах невысокие, для очистки требуются большие площади.

Пруды с искусственной аэрацией из-за интенсификации в них биохимических процессов занимают в 10... 15 раз меньшую площадь, имеют значительно меньший объем, а глубину до

4.. .6 м. Требуемая степень очистки воды в них обычно достигается за 1...3 сут. Скорость движения воды в таких прудах превышает 0,1 м/с, окислительная мощность - 5...20 г БПК/м³-ч, достигаемая нагрузка - 1000 кг БПК/гасут и выше. Расход сточной воды может достигать 10...25 тыс. м³/ч. Пруды крупных промышленных предприятий представляют собой сооружения объемом до 1 млн м³, снабженные большим числом аэраторов. Для аэрации воды используют устройства механического (перемешивание), пневматического (нагнетание воздуха) или пневмомеханического типов. Тип аэраторов, их необходимое число и объем зоны, обслуживаемой каждым из аэраторов, выбирают исходя из условий поддержания во взвешенном состоянии активного ила, количества и содержания кислорода, требуемого для окисления загрязнений и поддержания аэробных условий, минимизации объема застойных зон.

Конфигурация прудов часто определяется топографическими особенностями местности. Обычно аэрируемые пруды представляют собой земляные 2-5-секционные бассейны с отношением длины к ширине пруда не менее 20, с рассредоточенной подачей и отводом сточной воды либо иловой смеси и последующим их отстаиванием в течение 2...2,5 ч. При меньших отношениях длины к ширине расположение впускных и выпускных устройств решают таким образом, чтобы обеспечить движение воды по всему живому сечению пруда. В прудах с искусственной аэрацией объем застойных зон не превышает 10%.

По сравнению с прудами с естественной аэрацией в биопрудах с искусственной аэрацией водоросли развиваются менее активно. Это снижает объем вторичной биомассы и загрязнение воды продуктами метаболизма водорослей. Однако строительство и эксплуатация искусственно аэрируемых прудов обходятся дороже, увеличиваются и эксплуатационные затраты.

В российской практике аэрируемые пруды наиболее широко применяют в целлюлозно-бумажной, пищевой и ряде других отраслей промышленности.

Интенсивность процессов и глубину доочистки сточных вод в аэрируемых биологических прудах можно существенно повысить, рециркулируя активный ил, отделенный от очищенной воды во вторичных отстойниках (или других сооружениях для илоотделения). В гаком режиме работают высоконагружа-емые аэробные пруды. Пруды с рециркуляцией ила можно применять как самостоятельные очистные сооружения либо в качестве одной из ступеней очистки. Низконагружаемые пруды обычно используют для доочистки сточных вод после аэротенков с ВПК 25...50 мг/л. В этом случае они работают на иле, выносимом из вторичных отстойников, а также на микрофлоре, развивающейся в самом пруде. Чтобы избежать заиливания днища, скорость воды в таких прудах должна быть выше 0,007 м/с.

В контактных биопрудах с искусственной аэрацией очистку проводят в два этапа - аэрация и осаждение. В период аэрации сточные воды подают в пруд, но не удаляют из него. При прекращении аэрации ил оседает и осветленная вода отводится из пруда. Чередование аэрации и осаждения осуществляют в режиме автоматического управления.

В контактных биопрудах с естественной аэрацией отстоен-ная сточная вода при необходимости разбавляется 3-5 объемами чистой воды и выпускается в мелкие непроточные пруды. Через 20...30 сут вода спускается и вновь заполняется разбавленной сточной водой. Качество очистки в таких непроточных прудах выше, чем в проз очных.

В каскадных прудах, устанавливаемых обычно на местности, имеющей уклон, неразбавленная сточная вода проходит последовательно через 4-6-ступенчатый каскад прудов с аэробным прудом на первой ступени, водорослевыми, рачко-выми, рыбоводными прудами. Разведение рыбы в таких прудах возможно после прохождения 3—4 ступеней. Для разведения рыбы ранней весной в пруд выпускают 500-2000 матьков на 1 га. Прирост рыбы составляет к концу осеннего периода до

500...800 кг на 1га. Отлов рыбы производят поздней осенью. Наличие в воде большой массы питательных веществ способствует интенсивному росту водорослей (ряски). Для борьбы с ними желательно разведение на рыбоводных прудах уток, для которых ряска является хорошим кормом.

Целесообразность применения биологических прудов определяется концентрацией загрязнений и расходом сточных вод, а также конкретными климатическими, почвенными и топографическими условиями, уровнем минерализации воды. Под биопруды необходимо отводить достаточно большие земельные площади, поэтому часто их создают в поймах, на мелководьях и на участках рек с малыми уклонами. В таких случаях при обильном развитии в них воздушно-водной и погруженной растительности их эксплуатируют фактически как гидроботанические площадки, или биоплато (см. ниже).

Для нормальной работы биопрудов необходимо соблюдать оптимальные значения pH и температуры сточных вод. Температура должна быть не ниже 6 °С. Поскольку режим работы биопрудов зависит от температуры и уровня освещенности, это создает определенные трудности для стабилизации очистки.

При использовании биопрудов как самостоятельных систем очистки загрязнение сточных вод не должно превышать БПК_П0Л11 = 200 мг/л для прудов с естественной аэрацией и свыше 500 мг/л - для прудов с искусственной аэрацией. При БПК_полн выше 500 мг/л необходима предварительная очистка сточных вод. В пруды для доочистки направляют сточную воду после биологической или физико-химической очистки с БПК_полн < 25 мг/л для прудов с естественной аэрацией и <50 мг/л для прудов с принудительной аэрацией. Обеззараживают воду, как правило, после прудов. В отдельных случаях допускается обеззараживание перед прудами. При использовании хлорирования концентрация остаточного хлора в воде после контакта не должна превышать 0,25.. .0,5 мг/л.

Биопруды часто используют для удаления избытка азота и фосфора из сточных вод. Однако иногда процессы самоочищения, протекающие в биопрудах, особенно в начальный период их эксплуатации, лимитированы биогенными элементами, недостаточным количеством микроорганизмов, участвующих в удалении загрязнений. В биопрудах со сбалансированным соотношением потока углерода и содержания биогенных элементов концентрация иона ИН/ составляет не более 0,2 мг/л, №Эз~ < < 0,3 мг/л, фосфора - 0,01...0,05 мг/л. При недостатке азота и (или) фосфора их нужно внести в биопруд. Для этой цели, например, можно 1-2 раза в год вносить богатую гумусом почву из расчета 1 м³ на 1000 м³ объема пруда.

В ходе эксплуатации биологических прудов необходим тщательный контроль за состоянием грунтовых вод (их водностью, поступлением в грунтовые воды загрязняющих веществ и динамикой их распространения). Если используют искусственный биопруд, то для уменьшения фильтрационного потока воды в толщу грунтов ложе биопруда при его создании выкладывают глиной, другими водонепроницаемыми материалами или создают условия, способствующие в дальнейшем формированию такого водонепроницаемого слоя (например, при развитии анаэробных микробиологических процессов, заиливания и оглеения придонного слоя).

В результате фотосинтеза в прудах образуется первичная продукция, поэтому прирост биомассы в биологических прудах зачастую превышает количество содержащихся в сточных водах органических веществ, достигая 100...200 кг/га сут и более, пруд зарастает водорослями и растениями, возникают проблемы вторичного загрязнения воды остатками и продуктами их метаболизма, разложение которых вызывает дополнительное потребление кислорода и нежелательное увеличение биогенных элементов в водоеме. Более трудноокисляемые соединения опускаются на дно и способствуют заилению водоемов. При чрезмерном развитии водорослей и растений не только ухудшается качество воды, но на поверхности пруда образуются плавучие ковры из отмерших частей, загрязняется берег. Чтобы избежать этих проблем, из пруда необходимо периодически убирать избыточную биомассу: надводную фитомассу ежегодно обычно в конце вегетации, а такие растения, как ряску малую, - не менее одного раза в неделю.

В условиях России биопруды невозможно использовать в холодное время года, осенью они опорожняются или используются в зимнее время как накопители сточных вод. Весной, перед пуском в эксплуатацию, в биопрудах с естественной аэрацией производят вспашку дна и при необходимости посадку растительности. Затем заливают сточной водой, выдерживают до почти полного исчезновения аммонийного азота и переходят на проток с расчетной нагрузкой. Срок созревания прудов для средней полосы России - около 1 мес.

Интенсивный прирост биомассы часто служит препятствием для использования прудов в системе очистных сооружений, а эффективные методы удаления водорослей до сих пор не разработаны. В то же время на основе собранной биомассы водорослей и растений могут бьпъ получены полезные продукты: корма, био-компосты, биогаз, жидкие углеводороды, бумага и др. Так, с 1 га водорослевых прудов можно получить удобрений для 10...50 га полей. В районах с высокой инсоляцией целесообразно специально выращивать водоросли или цианобактерии в биопрудах, например очищающих стоки предприятий по откорму скота и птицы. Около 40 % азота стоков таких предприятий фиксируется водорослями, которые затем скармливаются животным. В биомассе культивируемых зеленых водорослей содержится 50...60 % белка, а в биомассе сине-зеленых - 60.. .70 %.

В Бельгии зеленую водоросль БубгосНсиоп гейси!аШт выращивают совместно с ряской в мелководных прудах, куда направляют стоки животноводческого комплекса и другие загрязненные воды [16]. Для лучшего развития водорослей температуру воды доводят до 20...30 °С. Биомассу перерабатывают в биогаз или получают из нее белковую кормовую добавку для рыб и кур, красители, косметические средства. Богатый минеральными компонентами шлам, остающийся после биогазификации, применяют для интенсификации культивирования одноклеточной зеленой водоросли Бсепебезтш Бр. Таким образом, реализуется биотехнологическая система с частично замкнутым циклом круговорота веществ.

Водяной гиацинт, микроводоросли родов Ьо1гуососсиз, сЫатуботопаз, ёипаИеНа и некоторые другие способны синтезировать и накапливать в своих клетках углеводороды и многоатомные спирты. Зеленая водоросль бипайеПа Ьагбаую накапливает глицерин (до 85 % от СВ). Водоросль ЬоНуососсиэ Ьгаипп -углеводороды состава от до С₃₄ в количестве до 75 % от сухого вещества [15]. Наполненные углеводородами клетки Ь. Ьгаипп плавают на поверхности прудов. После сбора и высушивания растений и водорослей углеводороды можно извлечь экстракцией органическими растворителями и отгонкой.