Использование биоинженерных сооружений в оздоровлении поверхностных вод

Аннотация

Для обезвреживания поверхностных вод перспективны и экономически выгодны биологические пруды, заселенные высшими водными растениями (макрофитами). Благодаря своим морфологическим и экологическим особенностям они участвует в механической и, особенно, в биологической миграции загрязнений. Механическая деятельность водных растений заключается в фильтрации, задержании и накоплении рассеянных веществ, по ступающих с поверхностным стоком с водосборной площади [9]. Биологическая роль сводится к активному изъятию и поглощению органических й минеральных элементов с использованием их в процессе метаболизма [1].

Полный текст

Для обезвреживания поверхностных вод перспективны и экономически выгодны биологические пруды, заселенные высшими водными растениями (макрофитами). Благодаря своим морфологическим и экологическим особенностям они участвует в механической и, особенно, в биологической миграции загрязнений. Механическая деятельность водных растений заключается в фильтрации, задержании и накоплении рассеянных веществ, по ступающих с поверхностным стоком с водосборной площади [9]. Биологическая роль сводится к активному изъятию и поглощению органических й минеральных элементов с использованием их в процессе метаболизма [1]. Опыт изучения экологии водных растений показывает, что они могут развиваться в очень сильно загрязненных органическими и неорганическими соединениями реках и озерах. Удаляя из воды неорганические соединения, они регулируют солевой состав. Особенно это относится к неорганическим солям азота, способствующего «цветению» воды. Чаще концентрация биогенных элементов в растениях выше, чем в воде водоема, то есть Микрофиты выступают как аккумуляторы макро- и микроэлементов. Так, например, тростник обыкновенный при сухой массе до 3 кг на 1 м² способен в течение всей вегетации извлечь из воды 45 г азота, 18 г фосфора, 22 г калия и 33 г хлора, рогоз узколистный при массе до 3,6 кг/м² — соответственно 38 г азота, 32 г фосфора. 50 г калия, 75 г хлора [8]. Как видно, эта способность у разных растений различна; кроме того, она зависит от сезона года, глубины и места произрастания.

Установлено, что присутствие водных растений способствует также интенсивному снижению концентрации фенолов. Например, в аквариумных опытах фенолы в концентрации 100 мг/л исчезают из раствора за 15—20 суток, а при концентрации от 10 до 1 мг/л — в 2—5 раз быстрее. В контрольных опытах без растений наблюдалось лишь 10—15% снижение уровня фенола [7]. Высшие водные растения поглощают фенолы в процессе метаболизма [8]. Часть поглощенного фенола транспортируется и выделяется в филлосферу, а часть, по-видимому, накапливается в органах растений и включается в общий метаболизм.

В естественных условиях замечено что, несмотря на поступление нефти и нефтепродуктов в верховьях, большого скопления их в заросших участках рек не происходит [6]. В присутствии растений нефтяная пленка разрушается значительно быстрее.

Нашими многолетними опытами в лабораторных условиях, а также вегетационными и производственными испытаниями был доказан факт ускорения процессов очистки воды от нефти. В опыте с внесением нефти в концентрации, равной 1 г/л, поверхность воды почти полностью (на 90%) освобождалась в присутствии следующих растений: рогоза широколистного — на 3—5-й день, камыша озерного — на 5—6-й, рдеста туполистного—на 5—7-й, тростника обыкновенного — на 4—8-й, рогоза узколистного — на 5— 9-й день. В контрольных сосудах без растений аналогичный результат был получен лишь на 28—32-й день.

При концентрации до 10 г/л нефтяная пленка на 50% площади исчезала на 28—36-й день, в контроле же она оставалась неизменной и на 90-й день. При циркуляции воды (путем вращения винта) в сосуде с рогозом широколистным пленка нефти полностью исчезала на 56-й день; в контроле (с неподвижной водой) за это же время пленка изменялась на 50%. Ускоренное разложение нефти связано с интенсификацией жизнедеятельности аэробных микроорганизмов, стимуляцией ее в результате дополнительной аэрации.

Наиболее устойчивыми к повышенным концентрациям нефти оказались рогоз узколистный и камыш озерный, из погруженно-укореняющихся растений — элодея канадская. При концентрации нефти да 1 г/л эти растения отличались лучшей физиологической характеристикой: у них улучшался тургор, наблюдались более яркая окраска, обильное побегообразование и ускоренный прирост. Суточный прирост у камыша озерного, например достигал 6 см, тогда как в контроле— 1—2 см [3].

Отмечено увеличение численности сапрофитных бактерий в сосудах с концентрацией нефти до 1 г/л к 3— 4-му дню опыта: с рогозом — в 1,5, с камышом — в 2 раза, затем она резко снижалась. Увеличение численности микроорганизмов вызвано их усиленным размножением вследствие потребления нефтепродуктов. По мере исчезновения нефти число их постепенно уменьшалось.

Закономерен вывод о том, что водные растения являются не только механическим фильтром, задерживающим взвешенную и пленочную нефть. Идея об активирующей роли метаболических выделений проверена на рогозе узколистном. Наличие в выделениях рогоза узколистного легкоусвояемых микроорганизмами углеводов является, вероятно, причиной увеличения численности нефтеокисляющих бактерий, использования большого количества нефти.

Результаты многолетних исследований позволили нам разработать биологический метод очистки нефтесодержащих и высокоминерализованных сточных вод. Метод заключается в создании биологических прудов с заселением в них водных макрофитов [4].

Впервые на территории Татарстана подобные пруды были построены ПО «Татнефть» по нашим рекомендациям в 1977 г. на ручье Мурат. Это была двухступенчатая схема, включающая два последовательно расположенных пруда с различными параметрами: 1-й — площадью в 3 га, глубиной от 0,5 до 2 м; 2-й — площадью в 4,5 га, глубиной от 0,3 до 1,7 м. Соответственно и видовой состав растительности на них отличался друг от друга. Первый, наиболее глубоководный, на 60% был покрыт ковром, состоящим из ряски малой; по берегам располагались заросли рогоза широколистного и тростника обыкновенного. Второй пруд был мелководным по всей акватории, сплошь заросшим полупогруженными водными растениями. Проективное покрытие — 80— 100 %. Господствующее положение по площади зарастания занимал рогоз широколистный с фитомассой около 70 т. В общей сложности на площади биопруда в 4,5 га насчитывалось около 140 т фитомассы.

Пруды прошли промышленные испытания на способность ускорять процессы очистки нефтесодержащих стоков. После заполнения и установления заданного режима (расход воды — 100 л/с) пруды были поставлены под рабочую нагрузку. Осуществлялось искусственное загрязнение чистой от нефти воды путем залпового сброса определенного количества сырой нефти в ручей, входящий в 1-ю ступень биопруда. Высокоминерализованные стоки подавались равномерно из трубопровода, отведенного из основного коллектора цеха подготовки нефти головного сооружения нефтепровода «Дружба». Контроль за очисткой воды в прудах производился в течение 2 недель с определением нефтепродуктов, БПКб, ХПК, нефтеокисляющих бактерий, хлоридов, сульфатов, гидрокарбонатионов, кальция, магния, калия, натрия в 3 постах: в зоне сброса загрязнений, на выходах 1 и 2-й ступеней пруда.

Анализы взвешенных и растворенных нефтепродуктов показали, что в 1-й ступени биопруда происходит основное (до 90%) снижение концентрации нефти, во 2-й — достигается почти полное освобождение воды от нефтепродуктов. Численность нефтеокисляющих микроорганизмов находилась в прямой зависимости от концентрации нефтепродуктов в воде. ₆

Наряду с очисткой воды от нефти в биопрудах происходит снижение минерализации благодаря потреблению растениями минеральных элементов. При своевременной уборке фитомассы из прудов можно удалить огромное количество загрязняющих веществ. С учетом высокой эффективности биопрудов в повышении качества воды и их роли в предотвращении загрязнения природных водоемов нефтяниками были построены десятки подобных прудов. Строительство их не требует больших затрат и сложного оборудования. Экономический эффект от внедрения описанных биопрудов за счет предотвращения загрязнения протекающих ниже водотоков в первые же годы их работы превысил 1 млн. рублей.

Технологические схемы с созданием биоинженерных сооружений были использованы с целью предотвращения загрязнения водохранилища на р. Суре, предназначенного для обеспечения питьевой водой населения г. Пензы и орошения сельхозугодий. В первые годы существования этого водоисточника вода была почти непригодна для питья. Отмечалось обильное цветение воды, вызванное интенсивным размножением сине-зеленых водорослей за счет высокого содержания биогенных веществ, поступающих при распаде остатков травянистых и кустарниковых на недостаточно очищенном ложе водохранилища. Кроме того, на режим формирования качества воды значительное влияние оказывает поступление большого количества загрязняющих веществ по р. Суре и непосредственно по ручьям самого водохранилища, в которые сбрасываются сточные воды многочисленных промышленных предприятий, объектов коммунально-бытового и сельского хозяйства, а также рассеянные стоки с прилегающих сельхозугодий.

При обследовании санитарно-бактериологического и гидрохимического состава вод ручьев водохранилища было установлено, что по ним в водоем поступали стоки животноводческих объектов. В устьевых зонах водотоков значения ВПК поли, в десятки раз превышали допустимые нормы сброса. Показатели ХПК наиболее высоки в воде ручьев левобережья: Камайке — 240, Шиверге — 540, Казеевке — 680, Ранго-Лисьме— 1040, Куле — 1000 мг/л. Насыщенные органическим веществами, биогенными элементами, поступая в обширные мелководные зоны водохранилища, они создают благоприятную среду для обильного размножения зеленых и сине-зеленых водорослей.

С учетом данных многолетних комплексных исследований гидрохимического и санитарно-бактериологического режимов нами были разработаны «Рекомендации по улучшению качества воды Сурского водохранилища» [4].

В 1988 г. был построен двухступенчатый биопруд на реке Шиверга, назначение которого заключалось в естественно-биологической очистке ливневых стоков, смываемых сточных вод с сельхозугодий (нефтепродукты, удобрения, стоков тепличного хозяйства и в аккумуляции твердого стока с водосборной площади. 40% площади 1-й ступени мелководного биопруда было заселено макрофитами путем поясного расположения их по акватории с учетом глубины. 1-й пояс составляли заросли рогоза широколистного (до 0,3 м глубины), 2 и 3-й — полосы рогоза узколистного. Время контакта загрязненной воды ручья с растениями удлинялось до 35 часов. После достижения предусмотренной площади зарослей (на 2-й год после посадки) анализы на гидрохимический и санитарно-бактериологический состав воды на входе и выходе показали значительные улучшение ее качества. Отмечено (в среднем за 2 года): 1) повышение прозрачности на 20—40 см; 2) увеличение содержания количества растворенного кислорода в 1,2—2 раза; 3) снижение содержания нитритов— в 15 раз, фосфатов — в 1,2, ВПК полн.—в 1,2, хлоридов—в 1,6; железа — в 2 и коли-индекса — в 100 раз [2]. На месте загрязненного ручья возник водоем с чистой водой, на второй год существования там появились рыбы, поселились утки. Помимо очистки и оздоровления воды от различных загрязняющих веществ и защиты от их поступления в Сурское водохранилище, пруд стал надежным объектом рекреации для населения.

Согласно «Рекомендациям...» на Сурском водохранилище предусматривается строительство еще нескольких сооружений на ручьях Кула, Медоевка, Алферовка и др. [5].

Таким образом, на практике доказана эффективность применения биоинженерных сооружений для защиты поверхностных вод от локальных и рассеянных источников загрязнений.