В настоящее время качественный состав сточных вод животноводческих комплексов претерпевает изменения из-за повышения доли трудноокисляемых фосфорсодержащих, азотосодержащих и органических ве- ществ. Большинство биологических очистных сооружений, введенных в действие более 30-40 лет назад по природоохранным нормам той эпохи, не отвечают современным требованиям по ограничению сброса загрязняющих веществ, в том числе биогенных элементов (солей азота и фосфора) [1, 2].
Эвтрофирование водных объектов и гибель водной фауны и флоры обусловлено поступлением в концентрациях, превышающих предельно допустимые нормы, биогенных элементов. В настоящее время данных о применении в технологии биологической очистки сточных вод животноводческих комплексов высших водных растений; о возможностях высших водных растений извлекать соли фосфора и азота с учетом технологических параметров. Другой проблемой является недостаточность сведений о применении высших водных растений на Юге Кыргызстана, который имеет свои климатические особенности и параметры, по которым подбираются высшие водные растения [3–5].
Эти доводы позволили определить актуальность и необходимость разработки методов и технологий по снижению содержания биогенных элементов в процессе биологической очистки сточных вод животноводческого комплекса.
Цель исследования: экспериментально обосновать и дать оценку биологического очищения сточных вод животноводческих комплексов для уменьшения количества солей фосфора и азота при помощи Eichhornia crassipes, Azolla caroliniana.
Материалы и методы исследования
По «Методике выполнения измерений массовой концентрации ионов аммония в очищенных сточных водах фотометрическим методом с реактивом Несслера ПНДФ 14.1-95» было установлено количество азота аммонийного. По «Методике выполнения измерений массовой концентрации нитрат-ионов в природных и сточных водах фотометрическим методом с салициловой кислотой ПНДФ 14.1:2.4-95» было установлено количество азота нитратного. По «Методике выполнения измерений массовой концентрации нитрит-ионов в природных и сточных водах фотометрическим методом с реактивом Грисса ПНДФ 14.1:2.3-95» было установлено количество азота нитратного. По «Методике выполнения измерений массовой концентрации фосфат-ионов в пробах природных и очищенных сточных вод фотометрическим методом восстановлением аскорбиновой кислотой ПНДФ 14.1:2.112-97» было установлено количество фосфатов [6, 7].
Массовая концентрация определяемых объектов проводилась в нормальных условиях лабораторных исследований: Температура окружающего воздуха 21 ± 4 °С, атмосферное давление 85-105 кПа, относительная влажность 81 ± 4 %, Частота переменного тока 50 ± 2 Гц, напряжение в сети 220 ± 9 В.
Результаты исследования и их обсуждение
В Ошском гуманитарно-педагогическом институте проводились исследования, которые подтвердили эффективность применения представителей плавающих высших водных растений Eichhornia crassipes и Azolla caroliniana для уменьшения количества в них солей фосфора и азота в ходе биологической очистки сточных вод животноводческих комплексов.
С целью изучения извлечения биогенных элементов из очищенных сточных вод были проведены исследования зависимости от расхода сточных вод и плотности биомассы растений интенсивности поглощения солей фосфора и азота. В ходе эксперимента расход стоков был от 6 до 47 м3/сут, а плотность биомассы Azolla caroliniana составляла 500, 800 и 1000 г/м2. Научные эксперименты проводились в весенне-летний сезон, в помещении лаборатории института. На рис. 1 приведены результаты научных экспериментов по изучению особенности извлечения солей фосфора и азота с использованием Azolla caroliniana, когда плотность биомассы составляет 500 г/м2.
Рис. 1. Интенсивность изъятия солей фосфора и азота с использованием Azolla caroliniana (плотность сырой биомассы 500 г/м2)
Как показали наши опыты, при расходе стоков 8 м3/сут фиксируется интенсивность извлечения азота аммонийного. Установление расхода стоков 47 м3/сут дает наивысшую интенсивность извлечения фосфатов, азота нитритов и азота нитратов.
На рис. 2 показаны результаты процессов извлечения солей фосфора и азота с Azolla caroliniana при плотности сырой биомассы 800 г/м2.
Рис. 2. Интенсивность извлечения солей фосфора и азота с использованием Azolla caroliniana (плотность биомассы 800 г/м2)
Доказано, при расходе 47 м3/сут происходит оптимальное изъятие азота аммонийного, быстрота извлечения составляет 0,685 г/сут. Наивысшая быстрота извлечения азота нитритов (1,85 г/сут), азота нитратов (0,796 г/сут) зафиксирована, когда расход стоков составляет 12 м3/сут. При расходе стоков 47 и 24 м3/сут происходит максимальная быстрота извлечения фосфатов (0,453 г/сут).
Исследованы процессы извлечения солей фосфора и азота при плотности сырой биомассы Azolla caroliniana 1000 г/м2 (рис. 3).
Рис. 3. Интенсивность извлечения солей фосфора и азота при использовании Azolla caroliniana (плотность биомассы 1000 г/м2)
При расходе стоков 47 м3/сутки происходит максимальная быстрота извлечения фосфатов (0,657 г/сут) и азота аммонийного (0,438 г/сут). При расходе стоков 8 м3/сут происходить максимальная извлечения азота нитритов (0,81 г/сут) и нитратов (0,727 г/сут).
Нами было проведено несколько лабораторных экспериментов по исследованию процессов извлечения солей фосфора и азота при помощи представителя плавающих высших водных растений Eichhornia crassipes с плотностью биомассы 1000, 1500 и 2000 г/м2. Температура воды и воздуха были оптимальными, поэтому эксперименты проходили в оптимальных лабораторных условиях. Проведенные лабораторные опыты показал и положительную динамику поглощении Eichhornia crassipes всех форм фосфатов и азота.
На рис. 4 показаны данные лабораторных исследований по изучению процессов изъятия солей фосфора и азота с плотностью биомассы 1000 г/м2.
Рис. 4. Результаты исследований интенсивности изъятия солей фосфора и азота Eichhornia crassipes с плотностью биомассы 1000 г/м2
Как показали наши опыты, оптимальная интенсивность изъятия азота аммонийного наблюдалась при установлении расхода стоков 47 м3/сут. При этом суточный эффективность составляет 0,438 г/сут. При установлении расхода стоков 24 м3/сут отмечены эффективная интенсивность изъятия азота нитратов (14,91 г/сут) и нитритов (16,342 г/сут). Эффективная скорость изъятия фосфатов наблюдалась при установлении расхода стоков 47 м3/сут. При этом интенсивность изъятия составляет 2,12 г/сут.
Поставленный нами эксперимент по изучению эффективности изъятия солей фосфора и азота с плотностью биомассы Eichhornia crassipes 1500 г/м2 показал, что очищение сточных вод привело к значительному снижению содержания в воде ингредиентов (рис. 5).
Как видно из рис. 5, наиболее эффективно Eichhornia crassipes очищает воды от азота аммонийного при установлении расхода стоков 47 м3/сут, их содержание уменьшается до 2,139 г/сут. На основании визуальных наблюдений было видно, что растение успешно адаптировалось к данным условиям, так как оно хорошо росло и размножалось.
Установление расхода стоков 24 м3/сут показало, что эффективность очистки от азота нитритов и нитратов значительно повышается при установлении расхода стоков 8 м3/сут. Эффективность извлечения составляет 2,271 и 2,825 г/сут. Установление расхода стоков 8 м3/сут обеспечивает оптимальную интенсивность изъятия фосфатов (1,464 г/сут).
Результаты экспериментов по изучению процессов извлечения солей фосфора и азота с плотностью биомассы Eichhornia crassipes 2000 г/м2 приведены в таблице.
Вышеотмеченные данные показывают, что наивысшая эффективность удаления азота нитритов и азота аммонийного растениями Eichhornia crassipes достигнута после адаптации при расходе стоков 47 м3/сут. Эффективность очистки 1,191 и 2,411 г/сут. Установление расхода стоков 24 м3/сут обеспечивает эффективное изъятия азота нитратов (2,435 г/сут). Установление расхода стоков 6 м3/сут дает возможность эффективно очищать фосфаты (1,217 г/сут).
Рис. 5. Интенсивность извлечения солей фосфора и азота Eichhornia crassipes с плотностью биомассы 1500 г/м2
Интенсивность извлечения солей фосфора и азота Eichhornia crassipes с плотностью биомассы 2000 г/м2
|
Расход стоков, м3/сут |
Показатели, г/сут |
|||
|
Азот аммонийный |
Азот нитратов |
Азот нитритов |
Фосфаты |
|
|
47 |
1,191 |
2,311 |
2,411 |
1,131 |
|
24 |
1,185 |
2,435 |
2,311 |
1,131 |
|
16 |
1,171 |
2,111 |
2,171 |
1,135 |
|
12 |
1,178 |
1,861 |
1,928 |
1,151 |
|
8 |
1,165 |
1,611 |
1,665 |
1,151 |
|
6 |
1,155 |
1,485 |
1,531 |
1,217 |
Приведенные выше результаты обусловлены увеличением плотности биомассы из-за изменения освещенности (абиотических факторов), что привело к снижению эффективности изъятия биогенных элементов и нарушило процессы фотосинтеза.
Выводы
1. При повышении плотности биомассы Eichhornia crassipes с 1000 до 2000 г/м2 уменьшается количество извлеченных из сточных вод биогенных элементов: с 4,156 г/сут до 1,191 г/сут – азота нитратов, с 16,362 г/сут до 2,411 г/сут – азота аммонийного, с 14,91 г/сут до 2,435 г/сут – азота нитритов, с 2,12 до 1,217 г/сут – фосфатов.
2. Наивысшая эффективность извлечения азота аммонийного (0,685 г/сут) при культивировании Azolla caroliniana наблюдается, когда плотности биомассы 800 г/м2. Эффективность удаления азот нитратов (7,859 г/сут), азот нитритов (8,052 г/сут) и фосфатов (0,727 г/сут) обеспечивается плотностью биомассы 500 г/м2.
3. К понижению быстроты извлечения из сточных вод биогенных элементов: с 14,91 до 1,485 г/сут азота нитратов, с 41566 г/сут до 1,155 г/сут азота аммонийного, с 16,362 г/сут до 1,531 г/сут азота нитритов, 2,12 г/сут до 1,131 г/сут фосфатов для Eichhornia crassipes приводит снижение расхода с 47 до 6 м3/сут на 1 м3 сооружений.
4. Для Azolla caroliniana оптимальное извлечение фосфатов и азота аммонийного зафиксировано при расходе стоков 47 м3/сут (ПБ = 1000 г/м2). Азот нитратов и нитритов эффективно удаляется при расходе стоков 8 м3/сут (ПБ = 1000 г/м2 ).