Диссертация (Очистка поверхностных сточных вод с применением фитофильтров), страница 8

Рекомендуемая глубиназоны накопления по информации из различных источников [110 - 115] находитсяв диапазоне 100-300 мм.41Пропускная способность, как характеристика фильтрующей загрузкиопределяющая скорость прохождения жидкости при заданных условиях, такжеопределяетпроизводительностьисточникамизначенияфитофильтра.начальнойРекомендуемыепропускнойспособностиразличнымифильтрующейзагрузки не превышают 305 мм/ч, минимальной – 12,5 мм/ч [110; 111;113;116].Подначальнойпропускнойспособностьюподразумеваетсяскоростьбезнапорного фильтрования при высоте столба жидкости над поверхностьюфильтрующей загрузки 0,3 м, определяемая при вводе фитофильтра вэксплуатацию (до начала подачи загрязненных вод).Ввиду того, что фитофильтры работают в безнапорном режиме, скоростьфильтрованияопределяетсягранулометрическимсоставомфильтрующейзагрузки и степенью ее уплотнения (наличием свободных пор).

Рекомендуемыйразличнымиисточникамигранулометрическийсостав,обеспечивающийтребуемые гидравлические характеристики загрузки, представлен на рисунке 9.SPU minПроцентиль, %10080SPU max60TP10 min40TP10 max20WSU minWSU max0012345Размер частиц, мм678Рисунок 9 – Рекомендуемый гранулометрический состав фильтрующей загрузкиSPU – Seattle Public Utilities [117], WSU - Washington State University [114],TP10 - Auckland Regional Council [118]Очевидно, что невозможно рассматривать каждый из трех указанныхпараметров вне зависимости от остальных. Производительность фитофильтраопределяется сочетанием параметров.

Так недостаточная площадь фитофильтраможет быть компенсирована увеличенной зоной накопления стока, а применениезагрузкиснизкойпропускнойспособностьюзначительных площадей под фитофильтр.потребуетиспользования42Все указанные параметры задаются при проектировании фитофильтра. Приэтом в отличие от площади фитофильтра и объема зоны накопления, остающихсяпостоянными в течение срока эксплуатации, пропускная способность можетизменяться в значительном диапазоне, как правило, уменьшаться. Снижениепропускной способности фильтрующей загрузки в процессе эксплуатацииявляется одной из основных проблем фитофильтров. Это может привестибольшому объему переливов неочищенного поверхностного стока по байпаснойлинии без очистки и застою воды в системе.Известно, что основной причиной снижения пропускной способностифитофильтра является накопление осадка в фильтрующей загрузке [119 ;120 ].Изучение работы более 37 существующих фитофильтров показало, что снижениепропускной способности определяется в основном загрязнением верхнего слоязагрузки [95].

Х. Ли и П. Дэвис оценивают эту высоту в 5-10 см (20 см придлительной эксплуатации) [121; 122].Падение пропускной способности фитофильтров также происходит за счетуплотнения фильтрующей загрузки. Это особенно заметно в первые месяцыэксплуатации, когда производительность может снижаться на величину до 66%[123]. Дальнейшего уплотнения загрузки, как правило, не происходит, и падениепропускной способности обуславливается лишь ее засорением.Важным результатом исследований фитофильтров является то, чтопропускная способность может самостоятельно восстанавливается со временем.Так, в исследованиях, проведенных в Monash University (г. Мельбурн), в первые 6месяцев пропускная способность фитофильтра упала с 300 мм/ч и до менее чем50 мм/ч, но за год восстановилась до значения 200 мм/ч, тем самым компенсируякальматационныйэффект.Авторысделаливывод,чтовосстановлениепропускной способности обусловлено перфорирующим действием корневойсистемы растений в процессе роста и отмирания корней [124].

Тем не менее, невсе растения способны эффективно восстанавливать пропускную способность.Так в работе А.Н. Арчера, Дж. Н. Кьюнитона и Т. М. Хесса [125] отмечается, чторастениястонкимидлиннымикорнямиобразуютразвитый«каркас»,43дополнительно скрепляющийпочву. Растенияже с толстыми корнями«расклинивают» почву, вызывая образование макропор [126].К сожалению, практически невозможно точно предсказать, как будетизменяться работа системы при длительной эксплуатации.

Однако, исследованиеработы существующих фитофильтров возрастом свыше 9 лет в г. Мельбурн,Австралия [95] показало, что системы с площадью порядка 2% водосборнойтерритории и начальной пропускной способностью 100-300 мм/ч успешнофункционируют в течение длительного времени эксплуатации.2.2 Анализ механизмов извлечения компонентов поверхностного стока нафитофильтрах2.2.1 Извлечение загрязнений при фильтровании через загрузкуОчистка от грубодисперсных примесей на фитофильтрах происходит за счетобъемного фильтрования через слой фильтрующей загрузки. Учитывая, чтобольшая доля тяжелых металлов и нефтепродуктов ассоциирована на частицахвзвеси, их концентрация также может быть снижена при механической очистке.Извлечение растворенных веществ из поверхностного стока происходит засчет процессов сорбции и ионного обмена, как на минеральных, так иорганических составляющих почвы.Известно, что набольшей способностью к извлечению загрязнений,находящихся в растворенной форме, обладают частицы мелких фракций –глинистые и пылеватые [127; 128].

В работе Е. В. Кормоша и А. Г. Погореловапоказано, что извлечение органических веществ природными глинами протекаетпо механизму физической сорбции, а извлечение ионов тяжелых металловопределяется процессами ионного обмена [129]. Сорбционная емкость глин, взависимости от состава, может достигать 2,4…3,3 г/г [130]. Значение емкостиглин по ионам тяжелых металлов достигает 463,96 мг/г по Hg2+, 16,5 мг/г по Cs2+,20 мг/г по Fe3+, 517,5 мг/г по Pb2+ и Cu2+ по 31,1 мг/г [127; 131 ]. Однакоиспользование фильтрующих загрузок с большим содержанием глинистых и44пылеватых частиц ограничено низкой скоростью фильтрования в условияхбезнапорной работы фитофильтра.Очевидно противоречие – крупнозернистая загрузка обладает малойсорбционной способностью, но при этом обеспечивает высокую скоростьфильтрования.

Мелкодисперсная загрузка позволяет эффективно извлекатьзагрязнения, находящиеся в растворенной форме, но обладает низкой пропускнойспособностью, что особенно критично в регионах с умеренным климатом. Такимобразом, при подборе загрузки для фитофильтра необходимо найти баланс, прикотором будут обеспечиваться требуемая скорость фильтрования и достаточнаяэффективность очистки.Помимо размера частиц фильтрующей загрузки на эффективность очисткивлияет её состав. Различные материалы обладают разной способностьюпоглощать растворенные вещества из водных растворов.

Большую роль визвлечении нефтепродуктов и тяжелых металлов в природе играют содержащиесяв почвах гуминовые вещества, включающие гуминовые кислоты, фульвокислотыи гумус [132 - 135 ]. Задержание тяжелых металлов гуминовыми веществамисвязано с процессами ионного обмена, сорбции, хелатообразования, коагуляции ипептизации, в результате чего образуются устойчивые нерастворимые комплексы[136 ]. Извлечение нефтепродуктов на гуминовых веществах обусловлено восновном процессами физической сорбции [137; 138].На сегодняшний день не существует общепринятого универсальногосоставафильтрующейзагрузкидляфитофильтров,которыйобеспечитмаксимальную пропускную способность и качество очистки.

Некоторыерекомендации по составу загрузки из зарубежных источников представлены втаблице 11.45Таблица 11 – Рекомендуемые составы фильтрующей загрузки для фитофильтровИсточникОсновнойматериалОрганическоевеществоПримечаниеРуководство попроектированию сооруженийочистки ПСВ г. Окленд, НоваяЗеландия [112]Смесь песка исупеси с долейпесчаных частиц35-60% по объему-Содержаниеглинистых частицне более 25%.Рекомендации по составузагрузки для фитофильтровПесок 70-80%20-30%просеянной почвыСодержаниеглинистых частицне более 10%Университет г. Monash, USA[113]Промытый,просеянный песок3% органическогоматериала (по об.)Глинистых частицне более 3%.Рекомендации управления покоммунальным услугам г.Сиетл, США [117]60-65% песка35-40%измельченногокомпоста ссодержаниеморганики 40%-Отчет о работе существующихфитофильтров в г.

СевернаяКаролина, США [115]85-88 %промытогосреднезернистогопеска (по объему)3-5%органическогоматериалаНе более 12%глинистых частицРуководство попроектированиюбиоинженерных сооруженийPrince George’s County , штатМэрилэнд США [111]50-60% песка (пообъему)20-30 %измельченногокомпоста излистового опадаили 20-30% почвыСодержаниеглинистых частицне более 5%.г.

Остин, США [139]2.2.2 Роль растений в извлечении компонентов поверхностного стокаВесомый вклад в очистку сточных вод на фитофильтрах вноситбиологическое поглощение, деструкция и комплексообразование загрязненийрастениями и биопленкой, развиваемой в фильтрующей среде и на корняхрастений [99].ТМ поступают в растения, главным образом корневым путем в виде ионов,хелатов или комплексов и включаются в растительную массу или накапливаютсяв вакуолях [140; 141; 142].

В естественных условиях почвенного питания растенияспособны к поглощению минеральных веществ как находящихся в почвенномрастворе, так и адсорбированных на поверхности почвенных частиц. Важнуюроль в обоих процессах играет обмен ионов Н+, НС03-, ОН- и анионов46органическихкислот,содержащихсянаповерхностиклеточнойстенкиризодермы, на ионы из окружающей среды.Существенную роль в процессе поглощения веществ из почвенных частицпутем контактного обмена играет слой слизи (муцигель), выделяемый растениемна поверхности корневых волосков [143]. Муцигель обеспечивает тесный контактповерхности корней с почвенными частицами, а также участвует в процессеионного обмена благодаря значительному количеству анионных групп в составе.Попадание минеральных веществ в ткани растения происходит в два этапа:1) обогащение ионами свободного (внеклеточного) пространства – апопласта;2) преодоление ионами мембранного барьера (плазмолеммы) и проникновениенепосредственно в клетку растения – симпласт.