Модуль фитосистемы для биологической очистки промышленных сточных вод от минеральных загрязнителей

Полезная модель относится к области охраны окружающей среды, в том числе в условиях Арктики, в частности, к технологии фитоочистки природно-антропогенных водных объектов или сточных карьерных вод в прудах-отстойниках от разных минеральных загрязнителей.
Известно устройство для биологической очистки воды водоемов по авторскому свидетельству на изобретение SU №1675226 от 25.05.1989 г., содержащее каркасы с биологической загрузкой. Они выполнены в виде соединенных между собой утилизированных автопокрышек, в отверстия которых установлены конусные емкости усеченной вершиной вниз с биологической загрузкой. При этом днище каждой конусной емкости выполнено из капроновой сетки в два слоя. По образующей большего основания конуса установлены пластинчатые направляющие из армированной пленки, образующие окна. Корневища высших водных растений расположены на днище, а стебли пропущены через окна. Недостатком этого устройства является использование в своей конструкции автопокрышек, при разложении выделяющих опасные токсичные соединения, что является причиной дополнительного загрязнения водоемов.
Известно устройство для биологической очистки сточных карьерных вод по патенту РФ на изобретение №2560631 от 30.05.2014 г. Оно представляет собой биоплато, содержащее соединенные между собой каркасы с биологической загрузкой. Каждый каркас состоит из основания, выполненного из пластиковых труб с поплавками, и установленной на него пластмассовой решетки с ячейками, сверху на которую уложена биологическая загрузка. В качестве биологической загрузки используют ковровую травянистую дернину, выращенную заранее гидропонным методом на основе вермикулитового субстрата с использованием многолетних травянистых растений, и водные аборигенные виды растений. При использовании данного устройства очистке подвергаются, как правило, участки, находящиеся в центре водоемов, а прибрежная зона, вспомогательные сооружения (фильтрующие дамбы), заводи и мелководье остаются неохваченными. Поэтому использование одних только плавающих биоплато не достаточно для полной и качественной очистки прудов-отстойников.
Наиболее близким к заявляемому решению является устройство для биологической очистки воды водоемов и водотоков по авторскому свидетельству на изобретение SU №1346588 от 09.04.1985 г. Оно содержит соединенные между собой каркасы с биологической загрузкой. Каркасы выполнены из сетчатого материала в виде верхнего и нижнего полотнищ со стяжками, а биологическая загрузка - из кусков материала положительной плавучести и равномерно распределенных между ними корневищ растений. Каркасы соединены в гирлянды, расположенные параллельными рядами, и прикреплены одним концом к заякоренному в водном объекте жесткому плавучему элементу. Недостатком данного устройства также является возможность применения только в центре водоемов, не захватывая при этом прибрежные зоны, заводи и мелководье, что делает очистку неполноценной.
Заявляемый модуль фитосистемы для биологической очистки промышленных сточных вод от минеральных загрязнителей, как и известные, содержит каркас из сетчатого материала с биологической загрузкой.
Технической проблемой, решаемой полезной моделью, является создание фитоочистной природоподобной болотной системы, позволяющей в суровых климатических условиях Арктики формировать фитоценозы разного назначения для быстрой и качественной очистки воды от загрязняющих минеральных соединений.
Технический результат заключается в повышении эффективности биологической очистки промышленных сточных вод от минеральных загрязнителей, сокращении сроков формирования фитоценозов, снижении негативного воздействия на окружающую среду.
Технический результат достигается тем, что биологическая загрузка состоит из свежих или подстилочных древесных опилок, термовермикулита, взятых в соотношении 4:1, и смеси сухих семян аборигенных многолетних травянистых растений, включающей семена пырея сизого, пырея ползучего, овсяницы красной, тимофеевки луговой, волоснца песчаного, горца Вейриха, змеевика живородящего. Биологическая загрузка может дополнительно содержать живые растения влаголюбивых видов: рогоз широколистный, разные виды осок, пушицу многоколосковую или узколистную, пушицу Шейхцера, вахту трехлистную, сабельник болотный, белокрыльник болотный, калужницу европейскую, хвощ топяной, хвощ болотный, иву филиколистную, иву козью или Бредйна, сфагнум, ряску малую, хвостник обыкновенный, лютик ползучий. Каркас может представлять собой сетчатый мешок из полимерных материалов.
В северных широтах основной проблемой создания очищающих фитосистем является их функционирование в экстремальных условиях, где создание искусственных фитоценозов любого типа, в том числе на водных поверхностях, осложняется низкими осенне-весенними и кратковременными высокими летними температурами, аномально коротким вегетационным периодом, сильными ветрами, дефицитом и бедностью почвенных ресурсов. Отдельной проблемой является отсутствие в регионе торфоразработок как источника насыпного грунта для создания ценозов, трудоемкость и дороговизна мероприятий по повышению плодородия местных почв с исходно низким питательным статусом.
Фитосистемы со стоячей или проточной водой и различными растительными сообществами, культивируемыми на поверхности глубоководных участков водоема, прибрежной полосе, мелководье и в заводях, напоминают естественные болота. Сточные воды, проходя через подобные фитосистемы, находятся в постоянном контакте с корнями и ризосферой растений. Эффективность фитосистемы в значительной степени зависит от правильного выбора видового состава растений, исключающего их межвидовые конфликты и внутривидовую конкуренцию.
Использование в качестве аборигенных многолетних травянистых растений пырея сизого (Agropyron intermedium (Host.) Beauv.), пырея ползучего (Elytrigia repens L. Desv. exNevski), овсяницы красной (Festuca rubra L.), тимофеевки луговой (Phleum pratense L.), волоснца песчаного ( L. Hochst.), горца Вейриха (Polygonum weyrichii Fr. Schmidt), змеевика живородящего (Bistorta vivipara L. Delarbre), способствует значительному ускорению формирования фитоценозов, повышению их жизненности и полноценному функционированию создаваемой биотехнологической очистной фитосистемы. Применение данной смеси позволяет готовить ее заблаговременно, гарантированно планировать сроки и значительно сокращать время создания будущих фитоценозов.
Добавление к базовой биологической загрузке живых растений влаголюбивых видов, которые хорошо развиваются как в воде, так и на влажных грунтах, способные даже в условиях северных широт накапливать большую биомассу и образовывать ряд экологических группировок в водоеме, а именно, рогоза широколистного ( L.), разных видов осок (Carex sp.), пушицы многоколосковой или узколистной (Eriophorum angustifolium Honck = Е. polystachion L.), пушицы Шейхцера ( scheuchzeri Норре), вахты трехлистной (Menyanthes  L.), сабельника болотного ( L.), белокрыльника болотного (Calla palustris L.), калужницы европейской (Caltha palustris L.), хвоща топяного (Equisetum fluviatile L.), хвоща болотного ( palustre L.), ивы филиколистной {Salix phylicifolia L.), ивы козьей или  (L.), сфагнума (Sphagnum sp.), ряски малой (Lemna minor L.), хвостника обыкновенного (Hippuris vulgaris L.), лютика ползучего (Ranunculus repens L.), значительно повышает эффективность биологической очистки промышленных сточных вод от минеральных загрязнителей.
В функционировании фитоочистной системы из предлагаемых модулей важно наличие не только растительной, но и органоминеральной составляющей, то есть субстратов-почвозаменителей. Они должны обеспечивать оптимальные условия для роста и развития растений на разных стадиях онтогенеза и при этом не являться источником вторичного загрязнения.
Термовермикулит и древесные опилки обладают высокой воздухо- и влагоемкостью, благодаря которым во всем мире они широко используются для гидропонного выращивания растений, обеспечивая оптимальные условия (влажность, аэрацию и температуру) для гарантированного, быстрого (в течение 1 недели) и дружного прорастания ортодоксальных (сухих) семян, входящих в состав модулей фитосистемы, и интенсивного роста и развития растений на последующих стадиях онтогенеза.
Сточные воды, протекая через фитосистему, находятся в непосредственном контакте не только с растениями, но и с субстратами, в которых растения закреплены. В результате под влиянием процессов седиментации, фильтрации, адсорбции, а также окисления и восстановления, их очищение усиливается, в большей степени за счет вермикулита, известного своими высокими сорбционными свойствами.
В отличие от вермикулита, опилки, находясь во влажных условиях, начинают перегнивать, для чего им необходим азот, поскольку бактерии, грибы и актиномицеты, разлагающие растительные материалы, требуют значительного количества азота для образования белка и других составляющих клеток. Поскольку в древесине и коре содержится в среднем только 0,1-0,2% азота, микроорганизмы должны получать большую часть этого веществ из других источников - либо из почвы, либо из минеральных удобрений, добавленных в почву (Allison F.E. Decomposition of wood and bark sawdusts in soil, nitrogen requirements and effects on plants. - US Dept. of Agriculture, 1965. - Vol. 1328.). Поэтому, в создаваемой с помощью заявляемых модулей фитосистеме, этот субстрат, являясь, наряду с растениями, потребителем минеральных соединений азота, способствует очищению вод.
Для исключения вероятности вторичного загрязнения воды соединениями азота, содержащихся в подстилочных опилках, были проведены специальные исследования, которые показали, что из подстилочных опилок в раствор переходит 265 г нитрат-ионов и 80 г аммония. Учитывая большие количества соединений азота, поступающих со сточными водами в очистные сооружения, полученными величинами можно пренебречь. В качестве примера можно привести Кировогорский карьер (г. Оленегорск, Мурманская обл., РФ), где (по усредненным данным), в связи с использованием взрывчатых веществ, ежемесячно в отстойник поступает нитратов - 5000-6000 кг, нитритов - 30-50 кг, аммиачного азота - 60-80 кг. Следовательно, использование подстилочных опилок для создания фитомодулей также приемлемо и весьма перспективно, как и свежих. К тому же, подстилочные опилки несут в себе банк семян, которые, попадая во влажную среду, быстро прорастают. Это дает основание для уменьшения в дальнейшем нормы внесения смеси семян, которая применяется при создании фитомодулей.
Опилки являются звеном безотходной технологии, имеют очень низкую стоимость и широко доступны. Использование опилок способствует значительному снижению затрат на производство модулей фитосистемы, так как в предлагаемой разработке им предоставлена ведущая в количественном отношении роль.
То есть применение свежих или подстилочных древесных опилок и термовермикулита наряду с растениями в качестве биологической загрузки фитомодуля способствует ускорению формирования искусственно создаваемых фитоценозов, усилению очищающей способности фитосистемы, удешевлению технологии очистки в целом.
Использование в качестве каркаса фитомодуля полимерного сетчатого мешка, не подверженного процессам гниения и не являющегося источником вторичного загрязнения, способствует снижению негативного воздействия на окружающую среду, а также сокращает затраты на осуществление очистки сточных вод.
Таким образом, заявляемая совокупность вышеуказанных признаков формулы полезной модели обеспечивает указанный технический результат, а именно, повышение эффективности биологической очистки промышленных сточных вод от минеральных загрязнителей, сокращение сроков формирования фитоценозов, снижение негативного воздействия на окружающую среду.
Каждый модуль фитосистемы для биологической очистки промышленных сточных вод от минеральных загрязнителей содержит каркас из сетчатого материала с биологической загрузкой. В качестве каркаса может быть использован, например, полимерный сетчатый мешок (широкодоступная упаковочная сетка для овощей). Биологическая загрузка представляет собой смесь древесных опилок (свежих или подстилочных), термовермикулита и сухих семян аборигенных многолетних травянистых растений. Объемное соотношение древесных опилок и термовермикулита составляет 4:1.
Заявляемые фитомодули позволяют формировать различные типы растительных сообществ или растительных блоков, что способствует повышению эффективности функционирования очищающей фитосистемы:
1) на грунте прибрежной полосы, откосах фильтрующих дамб и т.п.;
2) на участках водоемов с глубиной менее 0,5 м - на мелководье (заводях, отмелях);
3) на участках водоемов с глубиной более 0,5 м.
Их отличие, главным образом, заключается в ассортименте используемых видов растений.
Как показали многолетние исследования, для создания растительных блоков 1 -го типа в состав травосмеси должны быть включены виды, интенсивно растущие на песчано-каменистых, бедных питательными веществами грунтах. Предпочтение должно быть отдано аборигенным и, особенно сорным многолетним травянистым растениям. Доминантными видами для 1-го типа растительных сообществ являются, например, пырей сизый (Agropyron intermedium (Host.) Beauv.), пырей ползучий (Elytrigia repens L. Desv. exNevski), овсяница красная (Festuca rubra L.), тимофеевка луговая (Phleum pratense L.), волоснец песчаный ( L. Hochst.), горец Вейриха {Polygonum weyrichii Fr. Schmidt), змеевик живородящий (Bistorta vivipara L. Delarbre) и другие. Эти виды вводят в состав фитомодулей сухими семенами.
Для формирования 2-го и 3-го типов растительных блоков необходимо дополнительное введение видов, которые подсаживаются в уже подготовленные для эксплуатации фитомодули, главным образом, живыми растениями (рассадой, черенками, живыми растениями). Для подсадки ранее заготовленного биоматериала, в верхней плоскости каждого модуля (в сетке) делаются соответствующие прорези.
В качестве биоматериала для этих двух типов растительных сообществ могут быть использованы погруженные растения-макрофиты и другие влаголюбивые виды, например, рогоз широколистный ( L.), разные виды осок (Саrех sp.), пушица многоколосковая или узколистная (Eriophorum angustifolium Honck = Е. polystachion L.), пушица Шейхцера ( scheuchzeri Норре), вахта трехлистная (Menyanthes  L.), сабельник болотный ( L.), белокрыльник болотный (Calla palustris L.), калужница европейская (Caltha palustris L.), хвощ топяной (Equisetum fluviatile L.), хвощ болотный ( palustre L.), ива филиколистная (Salix phylicifolia L.), ива козья или  ( L.), сфагнум (Sphagnum sp.), ряска малая (Lemna minor L.), хвостник обыкновенный (Hippuris vulgaris L), лютик ползучий (Ranunculus repens L.). Все эти растения способны произрастать не только в режиме долговременного затопления, но и при более низком уровне стояния воды, а также на суше.
2
Если в сетчатый мешок размером, например, 0,5×0,8 м поместить 12,5 л органо-минерально-растительной смеси (древесные опилки и термовермикулит, взятые по объему в соотношении 4:1, а также 50 г семян), быстро и легко будет сформирован слой питательного грунта, с уже помещенным в него банком семян, высотой 10 см, полезной площадью около 0,28 м.
Заявляемые модули фитосистемы позволяют получить оптимальные условия для быстрого прорастания семян, попадающих естественным путем или искусственно помещенных в него, защитить семена от колебаний температуры воздуха, солнечного воздействия, смыва, выдувания и склевывания птицами. Если правила создания и укладки фитомодулей соблюдены, то для полного насыщения территории разными видами растений, как правило, достаточно одного вегетационного периода.
Возможны два способа производства модулей: непосредственно на месте проведения работ из завезенных туда ранее материалов/компонентов, либо заблаговременно, с последующим завозом на место проведения работ готовых модулей. Используемые в технологии компоненты (субстраты и сухая смесь семян) позволяют производить модули фитосистемы в любой удобный момент, а также хранить готовые изделия в сухом состоянии в течение длительного времени и транспортировать на любые расстояния.
Для создания растительных блоков 1-го типа путем задернения песчано-гравийных участков прибрежной полосы, откосов фильтрующих дамб и других территорий, на которых отсутствуют естественные плодородные почвы, готовые фитомодули раскладываются по их поверхности шевронами или в шахматном порядке. Таким образом, например, примененные на откосах фильтрующих дамб, они способствуют трансформации лишенных растительности дамб в фитозаградительные барьеры. После того, как модули постелены, запускается процесс ускоренного прорастания семян. Для этого модули увлажняют водой из расчета 5 л воды/1 ед. При соблюдении технологии начальное прорастание семян в открытом грунте происходит на 5-7 день, а массовое - на 10-13 день с начала работ. В течение двух недель постеленные модули прочно прирастают к поверхности участка, рост и развитие входящих в них растений усиливается. Постоянного полива модули не требуют. При формировании фитоценозов в жаркие месяцы (в Мурманской области - июль) такая необходимость может возникнуть, тогда фитомодули увлажняют небольшими порциями воды (5 л на 1 кв. м) из водоема, на берегу которого они находятся.
В этот период, в случае необходимости, можно увеличить видовой состав проросших модулей за счет введения древесной растительности, посадив в них саженцы или укорененные черенки древесных или кустарниковых растений (сосну, лиственницу, ивы и др.). Корни древесных растений способны проникать глубоко в грунт и потреблять минеральные загрязняющие вещества из воды, проходящей через заградительные барьеры. При этом корневая система развивающихся в модуле травянистых видов, обхватывая посаженные черенки и саженцы, закрепляет и удерживает их в фитомодуле, оптимизирует среду для их качественного и быстрого приживания в новых условиях.
Фитомодуль предохраняет грунт от иссушающего ветра в самые сухие месяцы. На протяжении всего периода функционирования модулей фитосистемы первоначальная органо-минерально-растительная основа продолжает выполнять функции фильтра и питательного слоя. Корневая система новых растений проникает не только в созданный в течение первого года питательный слой, но и в неплодородную часть откосов, прибрежной полосы, дамб, структурируя и укрепляя еще более глубокие слои. Ежегодно отмирающие корни и надземная часть растений создают питательный слой для новых растений. Так работает самовосстанавливающаяся система, не только укрепляющая грунт, но и обеспечивающая постоянное углубление корней растений, что также способствует очищению водных источников.
При создании растительных блоков на участках водоемов с глубиной менее 0,5 м - на мелководье (в заводях, на отмелях) - готовые фитомодули раскладывают по одному или группами, непосредственно погружая их в воду частично или полностью. На таких участках водоемов развитие растительности возможно только на мелкодисперсных субстратах, крупноглыбовые и каменистые участки зарастать не будут. Поэтому функцию дна с питательным органоминеральным субстратом, пригодным для произрастания растений, в данном случае выполняют фитомодули. Главное при этом - принять меры для того, чтобы модули не снесло волнами на глубину. Для удержания их можно придавить камнями, колышками и т.д.
При благоприятных температурах воздуха появление первых зеленых всходов растений в модулях, погруженных в воду, возможно на 6-й день, массовых - на 7-й день с начала работ. После появления массовых зеленых всходов можно приступать к посадке в модули различных видов, погруженных растений-макрофитов и гигрофитов в виде предварительно заготовленных саженцев, рассады, черенков или живых растений (ив, пушиц, вахты трехлистной, осок, хвощей, калужницы, сабельника, тростника, рогоза и т.п.), изъятых из природных болотных экосистем. В условиях фитомодуля, с помощью уже проросших травянистых видов, они закрепляются в субстрате, приживаются в течение 3-5 дней и быстро прорастают в грунтовую основу водоема даже в условиях искусственно созданных прудов, где иловое или песчано-гравийное дно отсутствует или загромождено крупными камнями. Таким образом, корни растений дополнительного состава быстро осваивают органоминеральную основу фитомодуля и затем проникают в донный грунт.
При создании растительных блоков на участках водоемов с глубиной более 0,5 м фитомодули размещаются на поверхности водоема с помощью различных плавающих конструкций (сосудов, емкостей, платформ, площадок), служащих основой для их размещения и удержания с полным или частичным погружением в воду. В таком положении плавающие на поверхности воды конструкции с фитомодулями, наряду с фильтрующими заградительными дамбами, служат искусственно созданными препятствиями по ходу движения воды в пруду-отстойнике, что позволяет значительно увеличить время задержки воды в системе субстрат-вода-растение для полного прохождения всех этапов трансформации минеральных загрязняющих соединений.
Примером такой конструкции, которая прошла успешное апробирование в 2017 г. на Кировогорском пруду-отстойнике, может служить, модернизированное в плане повышения механической прочности и устойчивости к изменению уровня воды в водоеме, плавающее биоплато (по патенту заявителя на изобретение №2560631 от 30.05.2014 г.) Оно собирается из кластеров, объединяющих 19 однородных элементов (плавающих сетчатых плотиков). Готовые фитомодули раскладываются на плотиках. Подсадка в них предварительно заготовленных саженцев, рассады, черенков или живых растений может быть произведена до того, как фитомодули помещены на плотики, либо после.
Фитомодули с проросшими всходами аборигенных растений и подсаженными водными растениями способствуют быстрому формированию комбинированных фитоценозов. Так, модули, помещенные на плавающие в центре пруда пластиковые каркасы, позволяют максимально засадить/насытить растениями глубоководную часть водоема. Одновременно с этим, постеленные на лишенных плодородного почвенного слоя откосах дамб, открытых песчано-гравийных или каменистых участках прибрежной полосы прудов-отстойников, они способствуют быстрому их залужению. А фитомодули, размещенные на мелководье и в заводях водоема, способствуют его заболачиванию.
Такое комплексное применение фитомодулей позволит сформировать максимально насыщенные растениями ценозы в короткие сроки и добиться высокой эффективности биологической очистки воды, а также свести к минимуму затраты на обслуживание подобных очистных сооружений за счет преобладания естественных экосистемных процессов в сформированных фитоценозах.
Область применения данной разработки не ограничивается реабилитацией водных экосистем, она с успехом может быть полезна в работах по фиторекультивации земель, ландшафтном проектировании, сельском хозяйстве, экологическом земледелии, на питомниках.