Инженерно-биологические методы активизации процессов самоочищения в водных объектах

Многочисленность локальных источников загрязнения делает экономически малореальным строительство на них станций физико-химической очистки воды. В настоящее время суммарная производительность этих станций отстаёт от количества загрязнений примерно на два порядка. Альтернативным, значительно более дешевым способом очистки и восстановления городских водоёмов являются биоинженерные сооружения (биоплато), функционирующие за счет естественной способности ряда живых организмов поглощать, разлагать и перерабатывать загрязняющие вещества. Фактически эти сооружения включаются в систему естественного самоочищения водоёмов, но способны значительно его ускорить.

Биоплато имеют ряд своих ограничений и недостатков и несомненно, должны дополняться другими методами очистки воды и восстановления водоёмов, но должны стать одним из основных таких методов как наиболее экономичный и экологичный из них.

Процесс поглощения определенными растениями органических остатков и других загрязнителей, накапливающихся в воде, естественен для природных биосистем. В последние десятилетия повысился интерес к технологическим особенностям процесса: использованию новых загрузок для фильтрующих прудов, сочетанию различных методов очистки, например, использованием фитоминеральных сорбентов, а также поиск новых растений.

Из наиболее эффективных в борьбе с загрязнениями водоёмов являются растения с быстроразвивающейся корневой и вегетативной массой. Среди известных растений, очищающих воду в болотах, прудах и озерах, — ряска с ее круглыми листочками, повсеместно плавающая на воде, водяной шпинат, вольфия, многокоренник, камыш, рогоз и др.

Возможностями гидроботанического метода очистки загрязненных вод являются:

• извлечение стойких токсикантов без нарушения гидробиоценотических связей;
• связывание токсикантов на длительный период, что исключает их вовлечение в трофическую цепь гидробионтов;
• ускорение распада стойких соединений за счет внутриклеточных физиологических процессов;
• фильтрация зарослями водной растительности мелкодисперсных частиц органоминеральной взвеси со связанными токсикантами, а также пленочных образований;
• утилизация биогенных элементов, в первую очередь азота и фосфора;
• способность обезвреживания многих соединений промышленных сточных вод;
• возможность изготовления удобрений и применения их в виде зеленой массы, смешанной с грунтом, экскрементами животных и птиц, прокомпостированной около двух месяцев;
• применение в зеленом виде как высококалорийной. богатой каротином добавки в кормовых рационах скота, птиц или заготовки обезвоженных кормов;
• применение в рыбоводческих хозяйствах.

Гидроботанический способ очистки загрязненных вод гораздо менее капиталоемкий в сравнении с действующими промышленными способами, при использовании биотехнологии затраты по очистке воды более чем в 10 раз ниже.

Методы очистки сточных вод:

• Механический - до 40% очистки
• Химико-механический - до 50% очистки
• Физико-химический - до 75% очистки
• Биологический, с применением представителей высших водных растений – до 93% очистки

Биоплато (в мировой практике — constructed waterland) — искусственный мелководный проточный водоём с интенсивно культивируемой экосистемой, состоящей в основном из высших водных растений, которым сопутствует соответствующая фауна и комплекс микроорганизмов. Как правило, биоплато включает в себя сразу несколько видов биологической и инженерной очистки, взаимно стимулирующих и дополняющих друг друга.

Основной механизм очищения воды на биоплато заключается в жизнедеятельности как гетеро-, так и автотрофных организмов.

Гетеротрофы (в первую очередь бактерии, простейшие, а также многоклеточные беспозвоночные животные) поглощают из среды органические вещества (в том числе даже нефтепродукты) и разлагают большую их часть до простейших соединений — углекислоты и воды, а также биогенных веществ (соединений фосфора и азота).

Автотрофы же (в основном высшие растения и водоросли) поглощают из окружающей среды биогенные вещества и углекислоту и используют их при построении собственного тела, создавая из них органическое вещество путем фотосинтеза. Наращиваемая ими зеленая биомасса должна изыматься из водоёма, что и является его очищением.

Как показывает отечественная и зарубежная практика, по сравнению с физико-химическими системами очистки воды, биоплато имеет ряд крупных преимуществ:

- более экономично (дешево в создании и эксплуатации),

- экологично (не вызывает накопления опасных отходов и является биотопом для многих диких организмов).

С другой стороны, биоплато:

- менее эффективно на единицу площади (требует для создания больших территорий),

- имеет сезонные ограничения работы (функционирует только в теплое время года),

- чувствительно к большим концентрациям ядохимикатов и ряду других токсичных веществ.

Тем не менее, для создания широкой сети очистных сооружений на малых водотоках именно биоплато представляется оптимальным вариантом. В сельской местности, в том числе в южной полосе России, сходные объекты в массе возникают стихийно (как пруды и малые водохранилища на ручьях и малых реках), способствуя сохранению фондов пригодной для использования воды.

Макрофиты и их роль в работе биоплато.

Основным действующим элементом биоплато, отличающим их от большинства естественных водоёмов, является преобладание на акватории зарослей воздушно-водных макрофитов — в первую очередь рогоза, тростника, камыша. Именно в зарослях этих (и некоторых других) растений создаются оптимальные условия для биологического очищения воды. В целом зарастание воздушно-водными макрофитами около 50% акватории при том же объёме воды ускоряет самоочищение водоёма в 5-10 раз. При создании биоплато для очистки сточных вод рекомендуется культивирование зарослей макрофитов на 70-80% его площади.

Механизмы очищения водоёмов макрофитами довольно многообразны. Помимо осаждения взвесей в зарослях растений из-за снижения скорости потока ряд макрофитов (в первую очередь рогоз, тростник, камыш) выделяет вещества, стимулирующие развитие нефтеокисляющих бактерий, что в несколько раз ускоряет разложение в водоёмах нефтепродуктов.

Сами макрофиты активно поглощают из воды и донного грунта биогенные элементы (соединения азота и фосфора). Кроме того, их воздухоносные побеги способствуют обогащению кислородом поверхностного слоя грунта (корневищной дернины), что способствует активному разложению легко доступной органики бактериями на дне водоёма. Погруженные макрофиты при вегетации обеспечивают насыщение толщи воды кислородом и создают благоприятную среду для развития перифитона (обрастаний} и организмов фильтраторов, что также способствует очищению воды.

Выбор конкретного вида применяемого макрофита зависит от состава очищаемых стоков, гидрологического, термического и инсоляционного режимов водоёма, ступени биоплато и ряда других условий. Чаще всего применяют культивирование многовидовых сообществ, состав которых затем естественным образом приходит в соответствие с внешними условиями среды обитания (начинают доминировать виды, наиболее приспособленные к текущим условиям). В условиях малых рек Москвы наиболее перспективным представляется рогоз широколистный и узколистный, в водотоках с большим засолением (более 5 г/л) — тростник обыкновенный.

Секционное устройство биоплато

Возможны одно-, двух- и многосекционные (до семи последовательных прудов} варианты биоплато. Увеличение числа секций делает сооружение более сложным и дорогим, но увеличивает его эффективность (степень очистки сточных вод). Большое число секций применяется:

— при очень сильном начальном загрязнении (в 1-2-й секциях нормальное сообщество не функционирует, но происходит первичное отстаивание);

— при необходимости глубокой очистки вод (понижения концентрации основных загрязнителей более чем на 90%);

— при необходимости первичного или вторичного накопления воды.

В условиях малых водотоков Москвы оптимально построение биоплато из 2-х секций.

Эффективность очистки воды

Двухсекционное биоплато на временных водотоках рассчитано на переработку 300 тыс. м3 в год ливневой канализации (средний расход воды около 10 л/с) с суммарным содержанием нефтепродуктов — 170 т, минеральных солей — 5,2 т, растворенных органических веществ — 4,8 т, взвесей — 6,0 т, ядохимикатов (главным образом формальдегида, метанола) — 1,5 т.

Эффективность очистки воды описанным сооружением (при водообмене не менее 1-2 сут в мелководной части и 2-3 сут. в глубоководной) зависит также от начального состава воды, температуры и составляет в среднем 90-95% по нефти и нефтепродуктам, 80--100% по нитратам, 40-60% по фосфатам, 70-95% по ХПК и БИК, 95-100% по взвесям. Очищенная вода на выходе соответствует альфамезосапробному уровню.

Дополнительный эффект очистки воды может быть достигнут культивированием в глубоководной зоне верхнего пруда погруженных макрофитов: роголистника и элодеи; при обязательном условии удаления большей части их биомассы в конце вегетации (август-сентябрь). В случае высокой замутненности или токсичности воды эта мера неосуществима.

Время эффективной работы биоплато в средней полосе — 4-5 месяцев (май-сентябрь, при температуре воды от 6°С). На подогретых сточных водах при постоянном расходе воды возможно почти круглогодичное использование (особенно при использовании камыша озерного, который способен вегетировать при температуре воздуха до —6°С). При временном характере стоков для их полной утилизации требуется создание накопителя зимних стоков (в том числе весеннего половодья).

Текущее обслуживание биоплато

Обязательное регулярное обслуживание биоплато: зимнее (по установившемуся льду) скашивание и удаление биомассы макрофитов во избежание вторичного загрязнения воды при их разложении. При отсутствии устойчивого ледяного покрова необходимо скашивание макрофитов на уровне 5-10 см выше уровня воды в конце вегетационного периода.

При культивировании погруженных макрофитов (элодея, роголистник и т. п.) выемка основной части накопленной биомассы также должна производиться ежегодно в конце вегетационного периода (конец августа-сентябрь).

Спуск и очистка верхнего пруда осуществляется с периодичностью в несколько лет по мере заполнения его поступающими взвесями.

По материалам: Бойкова И.Г., Волшаник В.В., Карпова Н.Б. и др. Эксплуатация, реконструкция и охрана водных объектов в городах. 2008

Рекомендуем ознакомиться: