Методы биоинженерной геоэкологии при проведении экологической реабилитации природных обьектов

МЕТОДЫ БИОИНЖЕНЕРНОЙ ГЕОЭКОЛОГИИ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ РЕАБИЛИТАЦИИ ПРИРОДНЫХ ОБЪЕКТОВ

С.В. Кривицкий

ООО «ИК «Экология и природа»

Основная цель статьи - формулирование концепции прикладной дисциплины «биоинженерная геоэкология», в рамках которой обсуждаются инновационные биоинженерные технологии, применяемые при экологической реабилитации природных объектов.

The modern bioengineering technologies for ecological restoration of natural objects as the part of "bioengineering geoecology" are discussed.

Введение

В настоящее время уровень влияние человека на экосферу таков, что выбросы продуктов жизнедеятельности в окружающую природную среду превышают ее самоочищающую способность. Поэтому возникает задача искусственного воспроизводства природных ресурсов и природных ландшафтов (задача экологической реабилитации) и необходимость в более активном внедрении природовосстановительных мероприятий с использованием многочисленных инженерно-технических средств и возникающих в последнее время биоинженерных технологий.

Принципы «биоинженерной геоэкологии»

Применительно к задачам рационального природопользования возникла деятельность человека, связанная с реконструкцией и воспроизводством природных ландшафтов (например, создание особо охраняемых природных территорий, рекреационных зон, водных объектов, полигонов бытовых отходов и т.п.). При этом приходит понимание, что все усилия по защите окружающей среды с помощью только инженерно-технических средств оказываются недостаточны для реабилитации нарушенных природных комплексов. Необходимо одновременно с известными техническими способами защиты и восстановления природной окружающей среды использовать технологии, основанные на механизмах самоочищения природных экосистем. То есть, человек должен в процессе своей хозяйственной деятельности не подавлять эти природовосстановительные механизмы, а максимально заимствовать и использовать их в своей практической деятельности. В последнее время возникли новые инновационные природоохранные технологии, которые позволяют успешно решать ряд известных природоохранных инженерных задач (очистка загрязненных стоков, утилизация отходов, восстановление экосистемы водных объектов и прибрежных ландшафтов, противоэрозионные мероприятия, укрепление берегов водоёмов и др.). Практическая деятельность в этом направлении привела к появлению новых прикладных наук, таких как - инженерная геоэкология, инженерная биология, инженерная география и ряда других комплексных дисциплин, призванных решать проблему нарушенных ландшафтов.

В статье речь пойдет о прикладной науке «инженерная геоэкология» и производной дисциплине «биоинженерная геоэкология», методы и средства которой помогают решать проблему реабилитации и восстановления природных комплексов.

Геоэкология имеет дело с относительно тонкой поверхностной оболочкой Земли, где взаимодействуют такие геосферы, как литосфера, гидросфера, атмосфера, биосфера, называемые экосферой, - и социосфера [1]. Геоэкологические проблемы носят, как правило, системный характер. Они - результат взаимодействия сложных систем: а) геосфер между собой и б) между геосферами и обществом (социосферой). Отсюда следует, что «геоэкология» - это междисциплинарное научное направление, изучающее экосферу как взаимосвязанную систему геосфер в процессе ее интеграции с социосферой.

Особое место в геоэкологии занимают природно-техногенные системы - продукт жизнедеятельности человека и взаимодействия экосферы с социосферой. В результате деятельности человека за всю историю его существования (особенно в последние десятилетия) на Земле сформировались такие системы, в которых определяющую роль играют не только естественные, но и техногенные процессы - это так называемые природ-но-техногенные системы (ПТС). Это могут быть как материалы, так и производственные объекты и даже территории, занятые производственным циклом.

Именно в этом блоке сложных геоэкологических взаимодействий «экосфера-соци-осфера» происходят нежелательные сбои важных для человека природных процессов:

- нарушение механизмов естественной самоочистки природных и природно-техно-генных систем от загрязнения,

- деградация биологических систем как основного источника возобновимых ресурсов, резервуара биологического разнообразия, механизма поддержания качества воды и воздуха.

Для снижения антропогенной нагрузки на природные комплексы в статье предложен ряд природозащитных мероприятий и технологий [2], которые можно выделить в новый раздел в рамках прикладной науки «геоэкология» под названием «биоинженерная геоэкология». Любой объект окружающей природной среды, испытывая на себе влияние техногенных воздействий, вырабатывает защитные механизмы, чтобы противостоять негативным воздействиям. Научившись использовать природные свойства самоочищения окружающей природной среды, можно предложить технические и технологические решения, способные восстанавливать нарушенные природные ландшафты с наименьшим ущербом для окружающей среды и финансово менее затратные. Таким образом, в рамках «биоинженерной геоэкологии» формируется класс дружественных природе биоинженерных технологий, способных обеспечить экологическую реабилитацию природных комплексов и тем самым обеспечить комфортное проживание людей.

Основные цели и задачи биоинженерной геоэкологии можно сформулировать следующим образом:

- разработка природоохранных биоинженерных методов и технологий, основанных на использовании защитных процессов самоочищения, происходящих в природе;

- восстановление и поддержание устойчивости природных экосистем и природно-техногенных систем посредством запуска механизма самоочищения природных объектов, в т.ч.:

формирование механизма поддержания качества воды,

биоинженерная очистка сточных вод,

биоинженерное восстановление плодородия почвы,

биологическая рекультивация нарушенных ландшафтов,

очистка воздуха с использованием зелёных насаждений,

утилизация промышленных и бытовых отходов.

Методы и технические решения биоинженерной геоэкологии направлены на стимулирование процессов саморегуляции экосистем, что предполагает поддержку и мобилизацию собственных реабилитационных ресурсов экосистем: поглощающих и обменных механизмов водных систем, биоценозов почв и растительных сообществ, поглощающих механизмов подземных фильтрующих сред.

Таким образом, биоинженерную геоэкологию можно охарактеризовать как научно-прикладной раздел геоэкологии, изучающий механизмы самоочищения экосферы с целью решения задач устойчивого развития территории на локальном уровне: экологической реабилитации нарушенных природных комплексов и природно-технических систем. Отсюда вытекают основные научно-прикладные задачи раздела «биоинженерная геоэкология»:

- комплексное изучение закономерностей процессов и механизмов самоочищения и восстановления природных экосистем;

- разработка рекомендаций по экологической реабилитации природных объектов и ПТС;

- внедрение методов и способов биоинженерной геоэкологии при реабилитации природных объектов и восстановлении ПТС.

В процессе экологической реабилитации нарушенных ландшафтов формируется так называемый «эколэнд», т.е. участок ландшафта, на котором формируется такая при-родно-техногенная система, которая отвечает принципам устойчивого развития и комфортного проживания населения.

Биоинженерные технологии

В настоящее время биоинженерные технологии начинают занимать важное место в процессах восстановления окружающей природной среды. Комплекс биоинженерных технологий обсуждается в работах [2-5]. Перечень основных биоинженерных технологий приведен в таблице 1.

Конечно, восстановление природного объекта с помощью биоинженерных мероприятий или переработка промышленных и бытовых отходов - процесс более длительный, чем применяемые в настоящее время инженерные технологии (химические способы очистки, различного рода промышленное оборудование и пр.), но они гораздо экономичнее, сокращают образование вторичных отходов (даже более того - позволяют успешно использовать вторичные отходы в виде биогаза или биотоплива). И самое главное - эти технологии являются наиболее экологически чистым способом реабилитации окружающей природной среды.

Использование биоинженерных технологий при очистке поверхностного стока

В виде примера использования биоинженерных технологий рассматривается очистка поверхностного стока на искусственных гидроботанических площадках (ГБП) с помощью гидробионтов, формирующих гидроэкосистему такой площадки.

В природной окружающей среде, не подверженной антропогенной нагрузке, любая экосистема настроена на самоочищение, т.е. сама справляется с переработкой лишней органики. К комплексу процессов самоочищения относят физические, физико-химические, химические и биотические процессы. Притом биотические (биохимические) процессы самоочищения являются основными, остальные действуют как подготовительные, сопутствующие стадии, способствующие активизации воздействия микроорганизмов на загрязняющие вещества.

Таблица 1

Биоинженерные технологии

Перечень биоинженерных технологий Решаемые задачи

Экологическая реабилитация водоемов. Проведение мероприятий по восстановлению экосистемы водоёма: заселение гидробионтами (биоремедиация), формирование прибрежной защитной полосы, создание биоинженерных берегозащитных сооружений.

Очистка поверхностных стоков. Создание малых биоинженерных очистных комплексов и гидроботанических площадок, засаженных высшими водными растениями.

Противоэрозионные мероприятия. Укрепление сухих откосов и береговой зоны водоёмов с помощью задернения и специально подобранных зелёных насаждений.

Формирование водоохранных зон. Использование комплексного подхода, включающего лесомелиоративные, агротехнические, гидротехнические и др. мероприятия, с целью предотвращения загрязнения водных объектов.

Создание водооборотных систем Формирование биоинженерных природно-технических систем водоотведения для вторичного использования очищенных поверхностных, дренажных и хозяйственно-бытовых стоков

Улучшение качества атмосферного воздуха. Создание лесозащитных полос вдоль автодорог и санитар-но-защитных зон вокруг промышленных предприятий с использованием специально подобранных зелёных насаждений. Ассортимент древесно-кустарниковых пород подбирается в соответствии с местными климатическими условиями, учитывая дендрологические и экологические свойства: газопылеустойчивость и шумозащитную эффективность.

Рекультивация загрязнённых территорий Проведение биоинженерных мероприятий для очистки территорий от нефти и других загрязнений: землевание (замена почвы), использование организмов-биодеструкторов (биоремедиация), озеленение (фитоме-лиорация) и благоустройство с использованием принципов ландшафтного дизайна.

Утилизация бытовых отходов и животноводческих стоков. Очистка животноводческих стоков с использованием ры-боразводных прудов. Утилизация животноводческих стоков на биореакторах с целью получения биогаза и биогумуса. Использование биотехнологии «вермикуляция» для утилизации отходов с целью получения биогумуса.

Очистка воды в водно-болотных системах. Давно было отмечено, что водно-болотные угодья выполняют важную функцию в восстановлении биологической полноценности воды. Они рассматриваются как своего рода «черные ящики», в которых происходят специфические физико-химические процессы очищения загрязненных поверхностных стоков. В одно-болотные системы обладают следующими специфическими свойствами:

- являются емкостью для депонирования нерастворимых химических веществ и механическим фильтром для взвешенных частиц;

- служат резервуаром, позволяющим деактивировать болезнетворные микроорганизмы;

- являются генератором физико-химических реакций, способствующих образованию нерастворимых соединений и их дальнейшему осаждению;

- являются своего рода «микробиологическим котлом», в котором происходит уменьшение количества биогенных веществ и создаются благоприятные условия для аэробного разложения органических соединений.

Искусственные водно-болотные участки являются прототипом естественных водно-болотных угодий, в которых происходит накапливание и естественная очистка загрязнений с помощью водной экосистемы (гидробионтов) - растений-макрофитов, живых организмов и микроорганизмов, формирующих гидробиосистему.

Искусственно созданные водно-болотные участки (constracted wetlands) - это потенциально хорошие, дешевые технологические перерабатывающие системы для поверхностных сточных вод, попадающих в водоемы с селитебных территорий.

Искусственные заболоченные территории распространены в Европе, Америке и Австралии и Океании, где они широко используются для доочистки внутренних сточных вод [6]. Они все больше и больше используются для очистки слабозагрязненных сточных вод. В Нидерландах, например, их используют для очистки вод дренажных систем магистралей и новых жилых массивов.

Технология очистки. К известным типам искусственных водно-болотных участков относятся биоплато и гидроботанические площадки [7]. Биоплато - участки прибрежной зоны водоемов с естественными или искусственно высаженными зарослями расте-ний-макрофитов. Гидроботанические площадки - специально созданные мелководные площадки с зарослями растений-макрофитов.

Основная технология очистки загрязненных стоков с использованием биоплато и гидроботанических площадок заключается в создании и культивировании гидробиоси-стемы, предназначенной для биологического очищения стоков от нефтепродуктов, соединений тяжелых металлов и органики.

Процессы очищения загрязнений с помощью гидробиосистемы заключаются в том, что в искусственных водно-болотных системах происходит поглощение органического вещества открытым сообществом водных микроорганизмов, живущих в пленке обрастания (перифитоне), закрепляющейся на растениях-макрофитах, и деструкция загрязнений микроорганизмами в корнях растений (так называемый процесс перколяции). Микроорганизмы утилизируют органическое вещество и используют его в качестве субстрата для своей жизнедеятельности.

Технология очистки поверхностных стоков была применена на ряде объектов в Москве и Вологде. Для очистки было использовано очистное сооружение биологического типа [8], в котором в качестве биологического фильтра доочистки служит биопруд или гидроботаническая площадка (ГБП). Схема очистного сооружения (ОС) биологического типа представлена на рисунке 1.

В отличие от многих сооружений аналогичного типа [6] настоящий биоинженерный комплекс разработан специально для холодного климата. В весенне-осенний период, когда растения на ГБП еще или уже не способны к очистке, основная нагрузка приходится на фильтровальный блок В.

Рассматриваемый комплекс очистных сооружений обеспечивает трехстадийную очистку поверхностного стока.

Г

д

-4-М Hit ша

ти ШН-

Рис 1. Схема ОС биологического типа: А - водоподводящий лоток, Б - камера-отстойник, В -фильтровальный блок, Г - гидроботаническая площадка, Д - водосбросная плотина

Первая стадия - традиционный подход с обеспечением первичной (основной) очистки талых, ливневых и моечных вод в камере-отстойнике Б, в котором происходит осветление воды. Отстойник обеспечивает очистку стока по нефтяным продуктам до 90%, а по взвесям до 60.. .70%.

Вторая стадия - очистка стоков в фильтровальном блоке В. Очистка производится путем задержания взвешенных твердых частиц и нефтепродуктов на современных фильтрах, с доведением степени очистки по нефтяным продуктам до 97..99 %, а по твердым фракциям до 83 %.

Третья стадия - доочистка стоков на гидроботанической площадке Г с использованием гидробионтов с окончательной аккумуляцией взвесей на площадке и биодеструкцией остаточных загрязнений с доведением уровня загрязнений до требуемых ПДК по контролируемым параметрам.

Заключение

1. Для снижения антропогенной нагрузки на природные комплексы разрабатывается новый класс дружественных природе природоохранные мероприятий и технологий, которые предлагается выделить в новый раздел прикладной науки «геоэкология» под названием «биоинженерная геоэкология».

2. Основные цели и задачи «биоинженерной геоэкологии» можно сформулировать следующим образом:

- комплексное изучение закономерностей процессов и механизмов самоочищения и восстановления природных экосистем;

- разработка рекомендаций по экологической реабилитации природных объектов и ПТС;

- внедрение методов и способов биоинженерной геоэкологии при реабилитации природных объектов и восстановлении ПТС, в т.ч.:

формирование механизма поддержания качества воды,

биоинженерная очистка сточных вод,

биоинженерное восстановление плодородия почвы,

биологическая рекультивация нарушенных ландшафтов,

очистка воздуха с использованием зелёных насаждений,

утилизация промышленных и бытовых отходов.

Литература

1. Голубев Г.Н. Геоэкология. - М.: Изд-во ГБОС, 1999. - 338 с.

2. Кривицкий С.В. Биоинженерная зашита берега водоема//Экология и промышленность России, 2007, январь. С.4-6.

3. Кривицкий С.В. Гидроэкология: улучшение качества воды в водоеме // Экология и промышленность России, 2007, июль. С.18-21.

4. Кривицкий С.В. Использование инновационных технологий в природоохранной деятельности// Журнал «Природообустройство», 2008 г , № 1. С.30-33.

5. Кривицкий С.В., Станис Б.В., Бирчак Т.Н. Использование биоинженерных мероприятий при экологической реабилитации водоёма// В сб. научных трудов «Актуальные проблемы экологии и природопользования», 2009 г., вып.11. С.15-16.

6. Denny P. Implementation of constructed wetlands in developing countries//Wat. Sci. Tech., 1997, Vol. 35, № 5. Р. 27.

7. Кривицкий С.В. Очистка поверхностных стоков с использованием гидроботанических плошадок//Экология и промышленность России, 2007, март. С.20-23.

8. Калантаров О.К., Каргер М.Д., Кривицкий С.В. и др. Система отвода и очистки поверхностного стока. Патент на изобретение № 2137884. Зарегистр. в Госреестре изобретений РФ 20.09.1999.

Ключевые слова: инженерная геоэкология, устойчивое развитие, экологическая реабилитация, природоохранные инженерные мероприятия, биоинженерные технологии, инновации.

Key words: engineering geoecology, sustainable development, ecological restoration, environmental methods, bioengineering technology, innovation.

Статья представлена членом Редакционного совета «Вестника МГСУ» проф. д.т.н. А.Д.Потаповыт