БИОИНЖЕНЕРНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ УМЕНЬШЕНИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ РЫБОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ВОДОЁМОВ
Авторы:
1.
Астраханский государственный технический университет
2.
Астраханский государственный технический университет
(доктор технических наук, профессор; заведующая кафедрой технологии товаров и товароведения)
3.
Астраханский государственный технический университет
(кандидат биологических наук, доцент; доцент кафедры гидробиологии и общей экологии)
Тип:
Статья
Страницы:
с 45
по 50
Статус:
Опубликован
Получено:
05.12.2014
Одобрено:
25.12.2014
Опубликовано:
25.12.2014
Классификаторы:
УДК [628.357.3:628.394.4]:[628.394.6.098:581.526.3]
ГРНТИ 34.39 Физиология человека и животных
ГРНТИ 62.13 Биотехнологические процессы и аппараты
ГРНТИ 69.01 Общие вопросы рыбного хозяйства
ГРНТИ 69.25 Аквакультура. Рыбоводство
ГРНТИ 69.31 Промышленное рыболовство
ГРНТИ 69.51 Технология переработки сырья водного происхождения
ГРНТИ 87.19 Загрязнение и охрана вод суши, морей и океанов
ГРНТИ 34.39 Физиология человека и животных
ГРНТИ 62.13 Биотехнологические процессы и аппараты
ГРНТИ 69.01 Общие вопросы рыбного хозяйства
ГРНТИ 69.25 Аквакультура. Рыбоводство
ГРНТИ 69.31 Промышленное рыболовство
ГРНТИ 69.51 Технология переработки сырья водного происхождения
ГРНТИ 87.19 Загрязнение и охрана вод суши, морей и океанов
Язык материала:
русский
Ключевые слова:
загрязнение водоёмов, бытовые сточные воды, устройство для очистки, высшая водная растительность, биоинженерная технология
Аннотация (русский):
Целью исследований являлась разработка биоиженерной технологии очистки бытовых сточных вод высшей водной растительностью с использованием адсорбента. Задачи исследования: определить вид высшей водной растительности, наиболее эффективно очищающий воду от органических соединений (нитриты, аммонийный азот, фосфаты); определить целесообразность использования сорбентов в сочетании с высшей водной растительностью; подобрать оптимальные сочетания высшей водной растительности и сорбентов, обеспечивающие эффективную очистку бытовых сточных вод. Эксперименты проводили в лабораторных условиях на созданной модели биосорбера. Материал - адсорбент (опоки, керамзит и вермикулит) + высшая водная растительность (тростник обыкновенный ( Phragmites australis ), валлиснерия спиральная ( Vallisneria spiralis ), плавающая водная растительность - ряска ( Lémna ). Установлено, что присутствие адсорбента в комбинации с ряской уменьшает скорость и ухудшает качество очистки. Валлиснерия спиральная дает лучший результат в комбинации с опоками и является более эффективным средством борьбы с нитритами, чем ряска. Наилучший результат, даже без адсорбента, зафиксирован при использовании тростника обыкновенного, а в сочетании с ряской, вермикулитом или опоками его адсорбирующие свойства улучшаются еще больше. С учетом результатов исследований предложено локальное устройство для очистки бытовых сточных вод. Качество воды, очищенной предложенным устройством, соответствует требованиям, предъявляемым к качеству воды рыбохозяйственных водоемов.
Целью исследований являлась разработка биоиженерной технологии очистки бытовых сточных вод высшей водной растительностью с использованием адсорбента. Задачи исследования: определить вид высшей водной растительности, наиболее эффективно очищающий воду от органических соединений (нитриты, аммонийный азот, фосфаты); определить целесообразность использования сорбентов в сочетании с высшей водной растительностью; подобрать оптимальные сочетания высшей водной растительности и сорбентов, обеспечивающие эффективную очистку бытовых сточных вод. Эксперименты проводили в лабораторных условиях на созданной модели биосорбера. Материал - адсорбент (опоки, керамзит и вермикулит) + высшая водная растительность (тростник обыкновенный ( Phragmites australis ), валлиснерия спиральная ( Vallisneria spiralis ), плавающая водная растительность - ряска ( Lémna ). Установлено, что присутствие адсорбента в комбинации с ряской уменьшает скорость и ухудшает качество очистки. Валлиснерия спиральная дает лучший результат в комбинации с опоками и является более эффективным средством борьбы с нитритами, чем ряска. Наилучший результат, даже без адсорбента, зафиксирован при использовании тростника обыкновенного, а в сочетании с ряской, вермикулитом или опоками его адсорбирующие свойства улучшаются еще больше. С учетом результатов исследований предложено локальное устройство для очистки бытовых сточных вод. Качество воды, очищенной предложенным устройством, соответствует требованиям, предъявляемым к качеству воды рыбохозяйственных водоемов.
Ключевые слова:
загрязнение водоёмов, бытовые сточные воды, устройство для очистки, высшая водная растительность, биоинженерная технология
загрязнение водоёмов, бытовые сточные воды, устройство для очистки, высшая водная растительность, биоинженерная технология
Введение В настоящее время одной из самых острых стала проблема загрязнения водоёмов рыбохозяйственного значения бытовыми сточными водами в зоне застройки коттеджных посёлков. Согласно данным Федеральной службы по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды Российской Федерации, в последние годы на большинстве водных объектов наметилось ухудшение качества воды до 3-го класса разряда «б» («очень загрязненная» вода) и 4-го класса («грязная» вода). Качество воды р. Волги ниже г. Астрахани в последние четыре года наблюдений стабилизировалось на уровне 4-го класса («грязная»). Загрязнение вызывает зарастание поверхности высшей водной растительностью, сопровождающееся эвтрофикацией водоёмов и снижением количества кислорода, в результате чего начинается массовая гибель рыбы. В данной ситуации выход один - очищать сточные воды необходимо в местах их происхождения, т. е. в непосредственной близости от жилых домов или поселка, чтобы предотвратить загрязнение поверхностных и грунтовых вод биогенными элементами. Наиболее эффективным и доступным является биологический метод очистки бытовых сточных вод. Одним из важнейших участников природных процессов самоочищения воды являются водные растения, в том числе макрофиты. В зависимости от образа жизни макрофиты разделяют на несколько экологических групп, независимо от их систематического положения. В первую группу входят погруженные гидрофиты (рдест), 70 % объема которых составляют воздухоносные полости и большой межклетник, что позволяет им находиться во взвешенном состоянии в воде, при этом корневая система выполняет якорные функции [1-3]. Ко второй группе относятся полупогружные макрофиты (камыш, тростник и др.), представители которых выбрасывают над поверхностью воды зеленые облиствленные и цветоносные побеги и существуют большую часть вегетации в двух средах - водной и воздушной [1, 2, 4]. К третьей экологической группе относятся свободноплавающие на поверхности растения (ряска), которые корнями держатся за грунт [5]. Мозаичностью морфологических и гидрологических условий обусловлена неравномерность заселения водоемов макрофитами, сопровождающаяся образованием множества более или менее различающихся между собой экологических биотопов. Это вносит большие сложности в интегральные расчеты продукционно-деструкционных процессов, протекающих в водных средах, которые играют важную роль при прогнозировании их экологического состояния и осуществлении мероприятий по инженерному устройству водных объектов, имеющих рыбохозяйственное значение [1]. Отметим, что основную роль в продуцировании органического вещества водоемов играет воздушно-водная растительность (50-90 %) и незначительную роль - плавающая (0,5-5 %) [6]. Эффективность действия высшей водной растительности определяется густотой посадки побегов на единицу площади, наличием у растений водных корней и видом общей поверхности растений. Прибрежно-водная растительность, выделяя при фотосинтезе кислород, оказывает благотворное влияние на кислородный режим водоема, а обитающие на поверхности растений бактерии и водоросли (перифитон) участвуют в очистке воды, что увеличивает ее прозрачность и уменьшает содержание биогенных веществ. Целью наших исследований являлась разработка биоиженерной технологии очистки бытовых сточных вод высшей водной растительностью с использованием адсорбента. Для этого необходимо было решить следующие задачи: - определить, какой вид высшей водной растительности наиболее эффективно очищает воду от органических соединений (нитриты, аммонийный азот, фосфаты); - определить целесообразность использования сорбентов в сочетании с высшей водной растительностью; - подобрать оптимальные сочетания высшей водной растительности и сорбентов, обеспечивающие эффективную очистку бытовых сточных вод. Материалы и методы исследования В лабораторных условиях была создана модель биосорбера и проведены эксперименты для определения лучшего сочетания адсорбент + высшая водная растительность при очистке бытовых сточных вод. В эксперименте использовали тростник обыкновенный (Phragmites australis), валлиснерия спиральная (Vallisneria spiralis), ряска (Lémna), в качестве адсорбента - опоки, керамзит и вермикулит. Для определения аммонийного азота, нитритов и фосфатов применяли фотометрический метод. Результаты исследования и их обсуждение В ходе экспериментов определяли степень загрязнения воды аммонийным азотом, нитритами и фосфатами до очистки и через 3, 7, 10 и 21 день с учетом ПДК, принятой для рыбохозяйственных водоемов. В ходе экспериментов было установлено, что в среднем от аммонийного азота вода очистилась на 99,93 % (табл. 1), от нитритов - на 98,8 % (табл. 2), от фосфатов - на 94,2 % (табл. 3). Таблица 1 Динамика количества аммонийного азота Загрузка Количество аммонийного азота, мг/л Итоговый показатель очистки, % До очистки Через 3 дня Через 7 дней Через 10 дней Через 21 день ПДК для рыбохозяйственных водоемов Тростник 40,0 15,6 4,7 0,8 0,02 0,4 99,95 Тростник + опоки 40,0 11,4 2,6 0,5 0,03 0,4 99,93 Тростник + керамзит 40,0 12,8 3,1 0,4 0,01 0,4 99,98 Тростник + вермикулит 40,0 14,5 4,5 0,7 0,04 0,4 99,9 Ряска 40,0 15,2 2,3 0,5 0,03 0,4 99,93 Ряска + опоки 40,0 16,3 2,5 0,3 0,04 0,4 99,9 Ряска + керамзит 40,0 17,8 2,6 0,4 0,05 0,4 99,88 Ряска + вермикулит 40,0 19,7 2,9 0,5 0,06 0,4 99,9 Валлиснерия спиральная 40,0 11,6 1,8 0,2 0,03 0,4 99,93 Валлиснерия спиральная + опоки 40,0 11,2 1,5 0,1 0,02 0,4 99,95 Валлиснерия спиральная +керамзит 40,0 11,4 1,1 0,1 0,02 0,4 99,95 Валлиснерия спиральная + вермикулит 40,0 12,4 1,7 0,2 0,04 0,4 99,9 Таблица 2 Динамика количества нитритов Загрузка Количество нитритов, мг/л Итоговый показатель очистки, % До очистки Через 3 дня Через 7 дней Через 10 дней Через 21 день ПДК для рыбохозяйственных водоемов Тростник 2,0 1,2 0,4 0,07 0,03 0,02 98,5 Тростник + опоки 2,0 1,0 0,2 0,05 0,02 0,02 99 Тростник + керамзит 2,0 1,3 0,2 0,04 0,03 0,02 98,5 Тростник + вермикулит 2,0 1,4 0,3 0,08 0,04 0,02 98 Ряска 2,0 0,9 0,3 0,02 0,01 0,02 99,5 Ряска + опоки 2,0 0,7 0,2 0,02 0,01 0,02 99,5 Ряска + керамзит 2,0 0,9 0,2 0,03 0,02 0,02 99 Ряска + вермикулит 2,0 1,2 0,4 0,04 0,03 0,02 98,5 Валлиснерия спиральная 2,0 1,5 0,5 0,04 0,01 0,02 99,5 Валлиснерия спиральная + опоки 2,0 1,6 0,6 0,06 0,02 0,02 99 Валлиснерия спиральная + керамзит 2,0 1,8 0,8 0,08 0,03 0,02 98,5 Валлиснерия спиральная + вермикулит 2,0 1,9 0,8 0,09 0,04 0,02 98 Таблица 3 Динамика количества фосфатов Загрузка Количество фосфатов, мг/л Итоговый показатель очистки, % До очистки Через 7 дней Через 10 дней Через 21 день ПДК для рыбохозяйственных водоемов Тростник 5,0 3,8 1,8 0,9 0,4 0,5 92 Тростник + опоки 5,0 3,6 1,5 0,7 0,2 0,5 96 Тростник + керамзит 5,0 3,7 1,7 0,8 0,3 0,5 94 Тростник + вермикулит 5,0 3,9 1,9 1,1 0,5 0,5 90 Ряска 5,0 3,4 1,4 0,5 0,3 0,5 94 Ряска + опоки 5,0 3,6 1,6 0,6 0,1 0,5 98 Ряска + керамзит 5,0 3,5 1,8 0,7 0,2 0,5 96 Ряска + вермикулит 5,0 3,7 2,1 0,6 0,4 0,5 92 Валлиснерия спиральная 5,0 2,9 1,2 0,4 0,2 0,5 96 Валлиснерия спиральная + опоки 5,0 2,6 1,1 0,3 0,1 0,5 98 Валлиснерия спиральная + керамзит 5,0 2,8 1,3 0,5 0,3 0,5 94 Валлиснерия спиральная + вермикулит 5,0 2,9 1,4 0,7 0,5 0,5 90 После окончания эксперимента (через 21 день) были сделаны следующие выводы: 1. При использовании плавающей водной растительности (ряски) нет никакой необходимости в дополнительном использовании адсорбента, т. к. его присутствие только уменьшает скорость и ухудшает качество очистки. 2. В случае с валлиснерией спиральной лучший результат получен при ее использовании с опоками. 3. По сравнению с валлиснерией ряска является более эффективным средством борьбы с таким загрязнением, как нитриты. 4. Тростником обыкновенным через 21 день вода была очищена в среднем от аммонийного азота - на 99,95 %, от нитритов - на 98,5 %, от фосфатов - на 92 %. Таким образом, использование тростника обыкновенного для очистки сточных вод, даже без адсорбента, дает наилучший результат, а в сочетании с ряской, вермикулитом или опоками его адсорбирующие свойства улучшаются еще больше. С учетом результатов исследований нами было разработано локальное устройство для очистки бытовых сточных вод, которое представляет собой радиальную ёмкость из полимерных материалов с внутренними перегородками. Бытовые сточные воды поступают через дно в центре бассейна в первое отделение, где на дне уложен адсорбент и высажен тростник. После очистки вода поступает во второе отделение, где происходит её доочистка ряской. И уже после этого вода попадает в третье отделение, где происходит её обеззараживание ультрафиолетовыми лучами и дальнейший забор (рис.). Устройство для очистки бытовых сточных вод Качество воды, очищенной таким образом, соответствует требованиям, предъявляемым к качеству воды рыбохозяйственных водоемов. Заключение Эксперименты для определения лучшего сочетания адсорбент (опоки, керамзит и вермикулит) + высшая водная растительность (тростник обыкновенный (Phragmites australis), валлиснерия спиральная (Vallisneria spiralis), ряска (Lémna)) при очистке бытовых сточных вод в лабораторных условиях на созданной модели биосорбера показали следующее. 1. При использовании плавающей водной растительности (ряски) нет никакой необходимости в дополнительном использовании адсорбента, т. к. его присутствие только уменьшает скорость и ухудшает качество очистки. 2. В случае с валлиснерией спиральной лучший результат получен при ее использовании с опоками. 3. По сравнению с валлиснерией ряска является более эффективным средством борьбы с таким загрязнением, как нитриты. 4. Использование тростника обыкновенного для очистки сточных вод, даже без адсорбента, дает наилучший результат, а в сочетании с ряской, вермикулитом или опоками его адсорбирующие свойства улучшаются еще больше. С учетом результатов исследований разработано локальное устройство для очистки бытовых сточных вод. Качество воды, очищенной предложенным устройством, соответствует требованиям, предъявляемым к качеству воды рыбохозяйственных водоемов.
1. Кокин В. А. Экология высших водных растений / В. А. Кокин. М.: Изд-во: МГУ, 1982. 158 c.
2. Хатчинсон Д. Лимнология / Д. Хатчинсон. М.: Прогресс, 1969. 569 с.
3. Эйнор Л. О. Роль света в формировании первичной продукции в водоемах / Л. О. Эйнор // Водные ресурсы. 1987. № 5. С. 45-54.
4. Катанская В. И. Высшая водная растительность континентальных водоемов СССР / В. И. Катанская. М.: Наука, 1981. 187 с.
5. Садчиков А. П. Экология прибрежно-водной растительности / А. П. Садчиков, М. А. Кудряшов. М.: Изд-во НИА-Природа, РЭФИА, 2004. 220 с.
6. Авакян А. Б. Водохранилища мира / А. Б. Авакян, В. А. Шарапов, В. П. Салтанкин; отв. ред.: Г. В. Воропаев, С. Л. Вендров. М.: Наука, 1979. 287 с.
