Новые функции воздушно-водной растительности, используемой в аккумуляционном фитофильтре

Экология. Утилизация отходов

НОВЫЕ ФУНКЦИИ ВОЗДУШНО-ВОДНОЙ РАСТИТЕЛЬНОСТИ, ИСПОЛЬЗУЕМОЙ В АККУМУЛЯЦИОННОМ ФИТОФИЛЬТРЕ

A.M. АСОНОВ,

доктор биологических наук

О.Р.ИЛЬЯСОВ,

кандидат технических наук, доцент, Уральский государственный университет путей сообщения

Сегодня можно с достаточной степенью надежности констатировать практическое отсутствие в России чистых природных водоисточников. Вследствие этого в большинстве густонаселенных районов страны население и народное хозяйство испытывают «водный голод». Интенсивное загрязнение природных водных объектов (ручьев, рек, прудов, водохранилищ, озер и болот) под влиянием антропогенных факторов резко обострила проблему обеспечения населения качественной питьевой водой. Сегодня можно с достаточной степенью надежности констатировать практическое отсутствие в России чистых природных водоисточников. Вследствие этого в большинстве густонаселенных районов страны население и народное хозяйство испытывают «водный голод». Цель и методика исследований Почти половина загрязнений, поступающих с водосбора в водоисточники, приходится на рассредоточенный поверхностный сток в виде талых и дождевых сточных вод с селитебных и техногенных территорий, сельскохозяйственных и естественных угодий. Концентрация взвешенных веществ в поверхностном стоке с городских территорий находится на уровне 1200-1600 мг/л, нефтепродуктов 25-30 мг/л, БПКзо - 60-220 мг/л, биогенных (азот и фосфор) веществ - на уровне 1-5 мг/л соответственно. Поверхностный сток, сформированный на техногенной провинции, загрязняется веществами, содержащимися в почвах. В поверхностном стоке с территорий, занятых предприятиями цветной металлургии, содержатся ионы меди - до 100 мг/л, цинка - до 15 мг/л, кадмия - до 40 мг/л, аммония - до 5 мг/л. Среднегодовые концентрации азота в поверхностном стоке с сельхозугодий составляют 5-12 мг/л, фосфора 0,2-0,4 мг/л, калия 15-20 мг/л [1]. Сосредоточенный сток образуется в процессе основного производства, а потому его количество и качество зависит от технологической схемы водообеспечения и технологии производства продукции на предприятии. В зависимости от экономической и экологической целесообразности количество сточных вод и загрязняющих веществ в них может быть сокращено в результате совершенствования водохозяйственных систем. Наивысшим уровнем их развития является организация бессточных водохозяйственных систем. Рассредоточенный поверхностный сток формируется при выпадении

осадков на территорию, а его качество коррелирует с состоянием водосбора. В силу своего значительного объема поверхностный сток не может быть использован в качестве источника водоснабжения предприятий полностью, а потому для основной массы сточных вод данной категории нет альтернативы сбросу их в водные объекты. Это обстоятельство выдвигает повышенные требования к качеству поверхностных сточных вод, которые на много жестче, чем для большинства систем оборотного водоснабжения промышленных предприятий.

Учитывая сезонность образования поверхностного стока, многие исследователи использовали для его очистки воздушно-водную растительность (ВВР). Наиболее часто в качестве биозагрузки биоинженерных систем рекомендуется тростник, рогоз, камыш, манник. Конструктивно биоинженерные системы оформляются в виде сооружений непроточного, периодического действия, проточных и проточно-фильтрующих систем.

Использование растений в очистке поверхностных сточных вод рассматривают как биогенный фактор миграции химических элементов. Изучение поглотительной способности растений показывает, что в условиях загрязнения они аккумулируют в своих органах значительное количество металлов [2]. На первом месте, как по абсолютному содержанию так и относительному увеличению, находится железо. Несколько меньше, по отношению к контролю, растения аккумулируют цинк, свинец, титан, марганец, хром, медь и никель. Количество металлов, которое, поглощается растениями, определяется как уровнем содержания их в окружающей среде, так и биологическими особенностями вида. Однако у растений существуют механизмы регуляции, препятствующие накоплению того или иного элемента в большом количестве [3, 4].

Аккумулирующая способность растений свидетельствует о возможности биологической регенерации твердых субстратов.

Важной биологической характеристикой вида является сезонный ритм ростовых процессов, в частности, сроки начала и конца вегетационного периода [2]. Сроки начала и конца вегетации растений коррелируют со степенью их устойчивости к загрязнению в своих крайних значениях. Группа видов, начинающих вегетировать в поздние сроки (начало апреля) и поздно заканчивающих (конец октября) вегетацию, является наиболее устойчивой к загрязнению.

Использование биологического метода очистки поверхностного стока на ботанических площадках имеет целый ряд достоинств по сравнению с технологиями, используемыми при очистке сосредоточенного производственного или городского стоков.

Среди них следует отметить:

- сооружения не наносят ущерба окружающей среде и естественно вписываются в нее;

- в одном сооружении протекают процессы механической, химической и биологической очистки воды и биодеструкции выделенных из воды загрязнений;

- широкий спектр загрязняющих веществ, способных выделяться в процессе очистки (взвешенные вещества, серные и азотные соединения, фосфаты, тяжелые

_______________Экология. Утилизация отходов

металлы, патогенная микрофлора);

- высокая стабильность процесса.

В качестве недостатков данной биоинженерной системы следует отметить относительно низкие скорости биоочистки сточных вод по сравнению с механическими и химическими методами, а также эффективную работу ботанических площадок только в вегетационный период.

Вариант решения проблемы

С целью повышения эффективности ботанических инженерных систем нами предложено и запатентовано новое биосооружение в виде аккумуляционного фитофильтра (АФФ) [4]. Первая ступень фитофильтра имеет твердый субстрат из керамзита, вторая - из природного цеолита - клиноптилолита. В твердые субстраты первой и второй ступеней высаживаются высшие водно-воздушные растения (ВВР) - тростник обыкновенный. В отличие от обычных конструкций биоплощадок с горизонтальным движением очищаемой воды жидкость в фитофильтре фильтруется в вертикальном направлении. На первой ступени сверху вниз, на второй - снизу вверх. Такое движение жидкости в фитофильтре позволяет не только эффективно вести глубокую очистку сточных вод методами отстаивания, фильтрации, сорбции и ионного обмена, но и вовлечь в интенсивную работу всю корневую систему ВВР. Последняя, в процессе жизнедеятельности растений, т.е. в вегетационный период, выделяет вещества (С02, аминокислоты, сахара и т.д.) изменяет состояние веществ прикорневой зоны ризосферы непосредственно, например, путем выделения С02 (С02 + Н20 = Н+ + НС03) и косвенно, создавая благоприятные условия для ризосферной флоры (бактерии, грибы, актино-мицеты, водоросли). Движение воды сверху вниз и снизу вверх на ботанической площадке обеспечивает активное участие не только перифитона, размещенного на стеблях ВВР, но и всей их ризосферы. В марте-апреле температура талого стока находится в пределах 2-5 °С. В этот вневегетационный период очистка стоков на площадке происходит за счет процессов отстаивания, фильтрации, сорбции и ионного обмена. Взвешенные и растворенные вещества задерживаются в процессе отстаивания и фильтрации через субстраты. Вещества, находящиеся в ионом виде (биогены и тяжелые металлы), извлекаются из стоков за счет ионного обмена на клиноптилолите. При потеплении начинается вегетационный период в развитии ВВР и активизация жизнедеятельности микроорганизмов. Их совокупный эффект обеспечивает окисление задержанной органики и перевод биогенов и ионов тяжелых металлов в химические соединения, которые усваиваются растениями.

Таким образом, происходит биологическая регенерация всего твердого субстрата в виде керамзита и природного цеолита (клиноптилолита).

Принципиальное отличие процесса очистки сточных вод на ботанических площадках с горизонтальным движением воды и субстратом в виде почвы от фитофильтра описанной выше конструкции заключается в том, что в первом варианте возможность повышения гидравлической нагрузки на сооружение лимитируется скоростью биохимической деструкции загрязнений, в то время как в предлагаемом варианте гидравлическая на-

грузка на фитофильтр лимитируется скоростью реакции флокуляции, сорбции, ионного обмена, отстаивания и фильтрации, т.е. процессов, протекающих в десятки раз быстрее, чем биологические. В этом случае технологический процесс очистки сточных вод в фитофильтре осуществляется с высокими скоростями в любой период их поступления, в том числе и холодный. Деструкция и утилизация загрязнений биоагентами (тростник, микрофлора, почвенные животные и т.д.) осуществляются в благоприятных для их жизнедеятельности условиях (температура, свет, наличие повышенной концентрации питательных веществ и т.д.).

Высокие скорости очистки воды от загрязняющих веществ в процессе фильтрации поверхностного стока через твёрдый субстрат фитофильтра, представленный в виде природного ионообменного материала - клиноп-тилолита, позволяют резко сократить размеры как самих ботанических площадок, так и площадей, занятых под пруды-усреднители.

Таким образом, в данном биосооружении изменяется функциональное назначение биозагрузки в виде ВВР. Если в обычных конструкциях биоинженерной системы основной функцией ВВР являлась очистка сточных вод, то в сооружении типа аккумуляционного фитофильтра главная роль ВВР сводится к биорегенерации твердого субстрата как в виде керамзита, так и природного цеолита - клиноптилолита.

Изменение функциональной направленности ВВР в фитофильтре требует использования новых методи-

Экология. Утилизация отходов

ческих подходов в проведении исследований. 0сновны-ми задачами изучения экологии тростника, рогоза и т.д. являются:

- исследование резистентности ВВР к высоким концентрациям загрязняющих веществ, находящихся в твердом субстрате;

- исследование распределения консервативных загрязняющих веществ в репродуктивных органах ВВР;

- исследование механизма и методов интенсификации регенерации твердого субстрата (сорбента) ВВР;

- исследование динамика биорегенерации ВВР; с учетом экологии ВВР подбор твердого субстрата, который в состоянии полного насыщения загрязняющими веществами, т.е. даже в случае использования его полной сорбционной емкости не оказывает резко негативного воздействия на жизнеспособность растений;

- исследование роли ризосферы (микрофлоры, микроводорослей, почвенные животные и т.д.) в процессе биорегенерации твердого субстрата аккумуляционного фитофильтра.

Выводы. Рекомендации

Использование естественного процесса жизнедеятельности ризосферы высшей водной растительности (ВВР) для биорегенерации ионообменных и сорбционных твёрдых субстратов фитофильтра в вегетационный период открывают перспективу создания экологически чистой и экономной технологии очистки поверхностных сточных вод, сформированных на водосборе с техногенными образованиями.

Литература

1. Дикерский B.C., Курганов А.М., Нечаев А.П., Алексеев М.И. Отведение и очистка поверхностных сточных вод. - Ленинград, Стройиздат, 1990.

2. Тарабрин В.П., Чернышева Л.В., Пельтихина Р.И. Использование зеленых насаждений для оптимизации среды в зоне загрязнения предприятий черной металлургии//Растения и промышленная среда, 1984. - С. 101-106.

3. Пасынкова М.В. Накопление тяжелых металлов растениями на отвалах литейного производства // Растительность в условиях техногенных ландшафтов Урала, 1989. - С. 113-120.

4. Асонов А.М., Ильясов О.Р. Фитофильтр для очистки сточных вод. Решение о выдаче патента на изобретение по заявке № 98119203/12(021180) от 23.06.99.