БИОЛОГИЧЕСКИЕ ПРУДЫ И ГИДРОБОТАНИЧЕСКИЕ ПЛОЩАДКИ

Биологические пруды

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

Биопруды подразделяются на анаэробные, аэробно-анаэробные (факультативно аэробные) и аэробные, а также на высоко- и низ- конагружаемые, 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. Это следующие:

• 1) пруды при нагрузках по ВПК порядка 300—600 кг/га • сут;
• 2) в придонных слоях воды в прудах глубиной 2,5 м и более даже при насыщении воды кислородом в поверхностных слоях;
• 3) в контактных (непроточных) прудах в первые фазы очистки после заполнения пруда сточной водой;
• 4) 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 нитратредукции, 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) и времени пребывания 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 используются в силу невысоких среднегодовых температур и образования большого количества дурнопахнущих веществ при их функционировании.

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 г 0₂ на 1 м² в сутки. Днем фотосинтез обогащает воду кислородом, а ночью кислород потребляется в процессе дыхания животных и растений, 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, содержания загрязнений в сточной воде и требований к качеству очищенной воды нагрузка в аэробно-анаэробных прудах колеблется в пределах 10— 300 кг БПК/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, то 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/га • сут 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 используются устройства механического, пневматического или пневмомеханического типов. Тип аэраторов, их необходимое число и объем зоны, обслуживаемой каждым аэратором, выбираются исходя из условий поддержания во взвешенном состоянии активного ила, 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 : 1, рассредоточенной подачей и отводом сточной воды либо иловой смеси и их последующим отстаиванием в течение 2—2,5 ч. При меньших отношениях длины к ширине расположение впускных и выпускных устройств устраивают 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 применяются 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 илоотде- ления). В таком режиме работают высоконагружаемые аэробные пруды. Пруды с рециркуляцией ила могут применяться как самостоятельные очистные сооружения либо как одна из ступеней очистки. Низконагружаемые пруды обычно применяют для доочистки сточных вод после аэротенков с БПК 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 очистка проводится в два этапа — аэрация и осаждение. В период аэрации сточные воды подаются в пруд, но не удаляются из него. При прекращении аэрации ил оседает, а осветленная вода отводится из пруда. Чередование аэрации и осаждения осуществляется 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, а пруды вновь заполняются разбавленной сточной водой. Качество очистки в таких непроточных прудах выше, чем в проточных.

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, рачковыми, рыбоводными прудами. Разведение рыбы в таких прудах возможно после прохождения 3—4 ступеней. Для разведения рыб ранней весной в пруд выпускают 500—2000 мальков на 1 га. Прирост массы рыбы составляет к концу осеннего периода до 500—800 кг на 1 га. Отлов рыбы производится 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 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_полн 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 используются для удаления избытка азота и фосфора из сточных вод. Однако иногда процессы самоочищения, протекающие в биопрудах, особенно в начальный период их эксплуатации, лимитируются биогенными элементами, недостаточным количеством микроорганизмов, участвующих в удалении загрязнений. В биопрудах со сбалансированным соотношением потока углерода и содержания биогенных элементов концентрация иона NH| составляет не более 0,2 мг/л, NO3 < 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 состояния грунтовых вод (их водности, поступления в грунтовые воды загрязняющих веществ и динамики 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, заиливании и оглеении 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. Наиболее трудноокисляемые соединения опускаются на дно и способствуют заилению водоемов. При чрезмерном развитии водорослей и растений не только ухудшается качество воды, но и 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 ряска малая, — 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 их 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 быть получены полезные продукты: корма, би- окомпосты, 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 синезеленых — 60—70%.

В Бельгии зеленую водоросль Hydrodiction reticulatum выращивают совместно с ряской в мелководных прудах, куда направляют стоки животноводческих комплексов и другие загрязненные воды [15, 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

Scenedesmus sp. Таким образом реализуется биотехнологическая система с частично замкнутым циклом круговорота веществ.

Водяной гиацинт, микроводоросли р. Botryococcus, Chlamydo- monas, Dunaliella и некоторые другие организмы способны синтезировать и накапливать в своих клетках углеводороды и многоатомные спирты. Зеленая водоросль Dunaliella bardavie накапливает глицерин (до 85% от СВ), водоросль Botryococcus braunii — углеводороды состава от С₁₇ до С₃₄ в количестве до 75% от сухого вещества [15]. Наполненные углеводородами клетки В. braunii плавают на поверхности прудов. После сбора и высушивания растений и водорослей углеводороды можно извлечь экстракцией органическими растворителями и отгонкой [15, 32].