Использование высших водных растений в практике очистки сточных вод и поверхностного стока

В материале описывается мировой практический опыт в применении высших водных растений (ВВР) в сфере очистки сточных вод. Авторы статьи - Диренко А.А., Коцарь Е.М.

Водные растения в водоемах выполняют следующие основные функции [1]:

• фильтрационную (способствуют оседанию взвешенных веществ);
• поглотительную (поглощение биогенных элементов и некоторых органических веществ);
• накопительную (способность накапливать некоторые металлы и органические вещества, которые трудно разлагаются);
• окислительную (в процессе фотосинтеза вода обогащается кислородом);
• детоксикационную (растения способны накапливать токсичные вещества и преобразовывать их в нетоксичные).

Способность высших водных растений удалять из воды загрязняющие вещества — биогенные элементы (азот, фосфор, калий, кальций, магний, марганец, серу), тяжелые металлы (кадмий, медь, свинец, цинк), фенолы, сульфаты — и уменьшать ее загрязненность нефтепродуктами, синтетическими поверхностно-активными веществами, что контролируется такими показателями органического загрязнения среды, как биологическое потребление кислорода (БПК) и химическое потребление кислорода (ХПК), позволила использовать их в практике очистки производственных, хозяйственно-бытовых сточных вод и поверхностного стока как в Украине, так и во всем мире.

Во многих странах Америки довольно широко используется системы очистки шахтных вод на плантациях камыша и тростника [2]. Описаны сооружения с камышовой растительностью для очистки хозяйственно-бытовых сточных вод в Нидерландах [3], Японии [4], Китае [5]; для очистки загрязненного поверхностного стока в Норвегии [6], Австралии [7] и в других странах. Стойкость камыша к действию больших концентраций загрязняющих веществ позволила довольно успешно использовать его для очистки сточных вод свиноводческих комплексов в Великобритании [8].

В г. Бентон (США) с населением 4700 человек с 1985 года осуществляется очистка бытовых сточных вод в прудах с зарослями камыша и других водных растений. Подсчитано, что стоимость такой системы очистки в 10 раз меньше, чем стоимость традиционных систем при удовлетворительном качестве очистки воды от соединений азота, фосфора, взвешенных и органических веществ [9]. В Ирландии (г. Вильямстоун) успешно эксплуатируется система совместной очисткихозяйственно-бытовых вод (72 %) и поверхностного стока (28 %), сконструированная в виде трех мелководных лагун, две из которых засажены камышом и рогозом, а третья представляет собой биопруд с плавающими водными растениями — лилией и ряской. В процессе очистки вода очищается до следующих показателей (мг/л): БПК — 9, взвешенные вещества — 9, полный азот — 14,2, аммиак — 0,8, нитраты — 9,2, полный фосфор — 4,45, ортофосфаты — 3,15. Среднее процентное уменьшение концентраций загрязняющих веществ в системе за двухлетний период изучения составляет: 48% для БПК, 83 % для взвешенных веществ, 51% для общего азота, 13% для общего фосфора, удаление патогенных организмов достигает 99,77 % [10].

Очистные системы вторичной и третичной очистки бытовых сточных вод, основанные на использовании элодеи, пригодны для использования в умеренном климате, где могут круглый год удалять биогенные элементы из сточных вод [11].

В Китае водный гиацинт используется для очистки сточных вод кинофабрики от серебра [13]. Установлено, что эффективность очистки воды от серебра, взвешенных веществ, соединений фосфора и азота, соответственно, составляла 100 %, 91 %, 53,9 %, и 92,9 %, при этом БПК и ХПК уменьшалaсь на 98,6 %, и 91 %. Предложенный метод позволяет отказаться от использования сорбционной очистки.

В России в Институте цитологии и генетики разработана технология очистки сточных вод с использованием водного гиацинта. Экспериментальная работа была проведена для сточных вод комплекса по разведению свиней. Очистка проводилась в биопрудах. Концентрация азота аммонийного снижалась (мг/л) с 30-50 до 4-5, БПК5 — со 150 до 20-30, ХПК — с 300 до 25-30, концентрация растворенного кислорода возрастала от 0,5 до 2-5 (мг О2)/л.

В Норвегии в 40 км на юг от Осло для очистки сельскохозяйственного поверхностного стока построено экспериментальное биоплато (рис. 1), которое представляет собой сконструированный из 8 параллельных полос (каждая размером 3 х 40 м) фильтр глубиной 0,5 м, площадью 1200 м2 [6]. Площадь водосбора составляет 0,8 км2. Предварительные исследования показали значительную эффективность удаления взвешенных веществ — 45-75 %, фосфора — 21-44 %, азота — 15 %. Исследования продолжаются.
Австралийские ученые разработали способ очистки поверхностного стока от автомагистралей [7]. Дороги не обустраиваются бордюрами, сбор стока осуществляется фильтрационными траншеями (рис. 2), заполненными на глубину 0,8 м гравием. На дне траншеи прокладываются сборные трубопроводы диаметром 150 мм, которые транспортируют сток для дальнейшей очистки в биоплато. При очистке сточных вод чаще всего используют такие виды высших водных растений (ВВР), как камыш, тростник озерный, рогоз узколистый и широколистый, рдест гребенчатый и курчавый, спироделла многокоренная, элодея, водный гиацинт (эйхорния), касатик желтый, сусак, стрелолист обычный, гречиха земноводная, резуха морская, уруть, хара, ирис и пр.

Как показали исследования, корневая система рогоза имеет высокую аккумулирующую способность относительно тяжелых металлов [14]. Концентрация металлов в корневой системе рогоза, который рос на берегах шламонакопителей электростанций, достигала (мг/кг): железа — 199,1, марганца — 159,5, меди — 3,4, цинка — 16,6.

Известно, что камыш имеет высокие адаптивные свойства и способен прорастать в очень загрязненных промышленными сточными водами водоемах [15]. Он способен удалять из воды ряд органических соединений, в том числе фенолы, нафтолы, анилины и прочие органические вещества. Удельное поглощение минеральных веществ камышом достигает (г на 1 г сухой массы): кальция — 3,95, калия — 10,3, натрия — 6,3, кремния — 12,6, цинка — 50, марганца — 1200, бора — 14,6 [16].

В работе [17] оценена способность трех видов высших водных растений (камыш, тростник и рогоз) удалять из загрязненных вод азот и снижать БПК. Установлено, что при средней концентрации аммония в сточных водах 24,7 мг/л, после очистки с использованием ВВР его концентрация составляла (мг/л): для камыша — 1,4, для тростника — 5,3, для рогоза — 17,7. Эффективность снижения БПК также была наиболее высокой у камыша, немного ниже у тростника и рогоза. Замечено, что накопление растениями биогенных элементов стимулируется увеличением их концентрации в среде [18, 19], увеличивается под действием света [20], зависит от рН воды, а также от видовых особенностей растений [18], густоты биомассы [20] и ряда других факторов, а именно — температуры и кислородного режима.

Часть биоценоза микроорганизмов находится во взвешенном состоянии в виде хлопьев, а также образовывает пласт естественных отложений — бентос, в котором проходит активный процесс анаэробного разложения органических загрязнений. Значительную роль в процессах доочистки выполняют сапрофитные бактерии, которые вместе с ВВР успешно выполняют роль дезинфектантов за счет своих продуктов обмена и антагонизма с бактериями-гетеротрофами, что в ряде случаев позволяет избежать использования систем хлорирования или озонирования воды [21].

В работах [22, 23] выделяют поверхностные, инфильтрационные и наплавные конструкции биоплато. В качестве поверхностного биоплато используют инженерные сооружения или естественные заболоченные территории со свободным движением воды через сообщества воздушноводной и укоренившейся погруженной растительности. Инфильтрационные биоплато представляют собойземляные фильтрующие сооружения с загрузкой из щебня, гравия, керамзита, песка и других материалов. Фильтрация сточной воды может осуществляться как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях. На поверхности загрузки высаживаются наиболее стойкие древесно-кустарниковые и/или травянистые растения. Очистка сточных вод осуществляется за счет жизнедеятельности земноводных растениймакрофитов, микроорганизмов биопленки и ризосферы, а также грибов и актиномицетов ризосферы корней и в пласте перегноя, который постепенно формируется. Применяются также наплавные биоплато, при этом на поверхности плавающих в воде матов, которые изготавливают из синтетических волокон, высаживают травянистые многолетние растения, которые образуют развитую корневую систему. Наплавные биоплато хорошо зарекомендовали себя в очистке вод от плавающих примесей (пены, СПАВ, нефтепродуктов и др.).

В Украине использование ВВР на разных типах биоплато — инженерно-биологических сооружениях, которые обеспечивают очистку и доочистку хозяйственнобытовых, производственных сточных вод и загрязненного поверхностного стока, не требуя (или почти не требуя) затрат электроэнергии и использования химических реагентов при незначительном периодическом эксплуатационном обслуживании, — началось еще в прошлом веке. В Институте гидробиологии НАНУ, г. Киев, было предложено и исследовано использование биоплато как сооружения доочистки воды в каналах, по которым транспортируется вода из Днепра для водообеспечения таких регионов, как Крым, Донбасс, а также в других отраслях [15, 19, 24]. Широкое изучение и внедрения биоинженерных сооружений с использованием ВВР выполняется в Институте экологических проблем, г. Харьков.

В научно-инженерном центре (НИЦ) «Потенциал-4» работы по разработке технологии доочистки и водоотведения возвратных вод с применением ВВР в закрытом биоплато гидропонного типа начаты в 1990 г. НИЦ «Потенциал-4» предложены разные типы инженерно-биологических сооружений на основе закрытого биоплато гидропонного типа (ЗБГТ). ЗБГТ используется в разработках и технологиях очистки сточных вод как водоохранное сооружение, которое объединяет основные элементы очистки с использованием иммобилизованной на инертном субстрате микрофлоры и высших водных растений и водоотведение доочищенных возвратных вод в водоем непосредственно или опосредствованно (через поток грунтовых вод) при наличии благоприятных гидрогеологических условий площадки, на которой обустраивают ЗБГТ. Особенностью ЗБГТ является регулирование качества воды с помощью искусственно созданного гидробиоценоза, качественные и количественные характеристики составных компонентов которого формируются под непосредственным действием ВВР, в выполненном согласно инженерным расчетам сооружении без открытого зеркала воды.Научно-инженерным центром «Потенциал-4» вместе с Институтом гидробиологии НАНУ выполнены многолетние исследования разных типов ЗБГТ, на основе которых Институтом гигиены и медицинской экологии ЗБГТ признано сооружением, обеспечивающим нормативное качество возвратных вод для водоемов хозяйственно-питьевого и рыбохозяйственного использования. В основу технологии утепленного ЗБГТ положено использование как естественных процессов самоочищения, присущих водным и околоводным экосистемам, так и управление этими процессами на основе расчетов, базирующихся на учете внешних факторов (температура воды и воздуха, рН и Еh среды, период года, гидравлическая нагрузка на сооружения, начальная концентрация растворенного в воде кислорода и загрязняющих веществ воды, которая подается на очистку),а также технологических параметров биоплато (площадь и материал эффективных поверхностей как субстрата прикрепления для разнообразных водных организмов — бактерий, актиномицетов, грибов, простейших и одноклеточных водорослей, ракообразных, червей, насекомых и мшанок; внесение в период запуска биопрепаратов с селективно подобранными гидробионтами-биодеструкторами для конкретных типов загрязнений в водах, которые подлежат очистке) [26]. Наиболее важными характеристиками искусственно сформированного биоценоза макрофитов и микроорганизмов в биоплато есть общая площадь биоплато, которую занимают растения, их видовой состав и численность на 1 м2; время контакта потока воды с биоценозом, режим эксплуатации биоплато.

На рис. 3 представлена типовая схематическая конструкция ЗБГТ. Сточные воды от канализационной насосной станции со встроенным блоком очистки (КНС с ВБО) подаются в распределительный колодец, который часто размещается непосредственно в биоплато. От распределительного колодца через систему перфорированных трубопроводов, которые в конструктивном плане могут прокладываться по параллельной или лучевой схеме, вода поступает на биоплато. Фильтрация сточной воды происходит в вертикальном направлении через пласт загрузки (мытый щебень гравий, керамзит).
Площадь ЗБГТ и толщина пласта загрузки определяется расчетом и типом ВВР. Высшие водные растения (камыш и тростник озерный) высаживаются с плотностью 4-6 растений на 1 м2. Сточные воды транспортируют через гравийную загрузку фильтрационного бассейна, корневища высших водных растений и бактериальный препарат, который способствует разложению трудноокисляемых органических веществ. При высокой загрязненности органическими веществами сточные воды перед подачей в ЗБГТ могут быть предварительно насыщены кислородом, который будет оказывать содействие аэробному окислению органических загрязнений микроорганизмами перифитона и дыханию корневищ высших водных растений. Покрытие сооружения инертным термоизоляционным материалом предотвращает его промерзание в зимний период и обеспечивает эффективную очистку сточной воды на протяжении года. Конструктивно создается естественная вентиляция всего объема загрузки ЗБГТ, которая обеспечивает эффективное использование ВВР и гидробиоценоза биопленки для окисления загрязнений.

Разработаны разные конструкции биоплато (одноярусные и двухъярусные, одноступенчатые и многоступенчатые), позволяющие осуществлять эффективную очистку и водоотведение доочищенных вод в поток грунтовых вод или непосредственно в водоем. На рис. 4 и рис. 5 представлены фото ЗБГТ на этапах введения в эксплуатацию и на третьем году эксплуатации.
Кроме своих функций как биоинженерных сооружений, ЗБГТ, как высокопродуктивная экосистема, создает пространственную неоднородность в существующих обедневших антропогенно-природных ландшафтах, предоставляет дополнительные места обитания и пищевые ресурсы для многих видов флоры и фауны, которая, в свою очередь, создает благоприятные условия для поддержки биоразнообразия [22, 25]. Использование принципов ландшафтного дизайна при проектировании и строительстве ЗБГТ позволяет широко использовать декоративные возможности сооружений для улучшения эстетичных характеристик промышленных площадок и других территорий [22].

Литература

1. Тимофеева С.С. Биотехнология обезвреживания сточных вод // Хим. и технол. Воды. — 1995. — 17, № 5. — С. 525-532.
2. Dunbabin J.S., Bowner K.H. Potential use of constructen wetlands for treatment of industrial wasterwaters containing mettals // Sci. Total. Environ. — 1992. — 111, N 2/3. — P. 56-60.
3. Gleichman-Verheyc E.G., Putten W.H., Vander L. Alvalwaterzuvering met helofytenfilters, een haalbaarheidsstudie // Tijdschr. watervoorz. en. afvalwater. — 1992. — 25, N 3. — Р. 56-60.
4. Hosokova Yasuschi, Miyoshi Eiich, Fukukawa Keita. Характеристика процесса очистки прибрежних вод тростниковыми зарослями // Rept. Part and Harbour. Res. Inat. — 1991. — 30, N 11. — P. 206-257.
5. Дин Яньхуа. Исследование образцового проекта системы очистки сточных вод на увлажненных землях с зарослями тростника // Chim. J. Environ. Sci. — 1992. — 13, N 2. — P. 8-13.
6. Blankenberg A.-G.B., Braskerud B.C. «LIERDAMMEN » — a wetland testfield in Norway. Retention of nutrients, pesticides and sediments from a agriculture runoff: Diffuse Pollut. Conf., Dublin, 2003.
7. Lloyd S.D., Fletcher T.D., Wong T.H.F., Wootton R.M. (Australia). Assessment of Pollutant Removal Performance in a Bio-filtration System: Preliminary Results, 2nd South Pacific Stormwater Conf.; Rain the Forgotten Resource, 27-29 June 2001, Auckland, New Zealand. — P. 20-30.
8. Hadlington Simon. An interestind reed // Chem. Brit. — 1991. — 27, N 4. — P. 229.
9. Dawson G.F., Loveridge R.F., Bone D.A. Grop production and sewage treatment using gravel bed hydroponic erridation // Ibid. — 1989. — 21, N 2 — P. 57-64.
10. Healy A., Cawleyb M. Nutrient Processing  Capacity of a Constructed Wetland in Western Ireland // J. Environ. Quality. — 2002. — 31. — P. 1739-1747.
11. Віshor Paul L., Eighmy T. Tayler. Aguatic wastewater treatment using Elodea nuttallii // Water Pollut. Contr. Fed. — 1989. — 61, N 5. — P. 641-663.
12. McAnally A.S., Benefield J.D. Use of constucted water hiacinth treatment systems to upgrade small flow municipal wastewater treatment // J. Environ. Sci and Health. — 1992. — 27, N 3. — P. 903-927.
13. Чен Юаньгао, Дай Цюаньюй, Пи Юй, Чжан Хан. Исследование условий роста водного гиацинта в серебросодержащих сточных водах и определение предела безвредного для него содержания серебра в таких водах // J. Ecol. — 1992. — 11, № 2. — P. 30-35.
14. Samkaram Unni K., Philip S. Heavy metal uptake and accumulation by Thypha angustifolia from weltlands around thermal poweer station // Int. J. Ecol. and Environ. Sci. — 1990. — 16, N 2/3. — Р. 133-144.
15. Короткевич Л.Г. К вопросу использования водоохранно-очистных свойств тростника обыкновенного // Вод. Рес. — 1976. — № 5. — С. 198-204.
16. Seidel K. Gewasserreinung durch hohere Pflanzen // Garten und Landschaft. — 1978. — 88, N 1. — S . 9-17.
17. Gersberg R.M., ElkinsB.V., Lyon S.R., Goldman C.R. Role of Aquatic Plants in Wastewater Treatment by Artificial Wetlands // Water Res. — 1986. — 20, N 3. — P. 363-368.
18. Дикиева Д.М., Петрова И.А. Химический состав макрофитов и факторы, определяющие концентрацию минеральных веществ в высших водных растениях // Гидробиологические процессы в водоемах / Под ред. И.М. Распопова. — Л.: Наука, 1983. — С. 107-213.
19. Смирнова Н.Н. Эколого-физиологические особенности корневой системы прибрежноводной растительности // Гидробиол. Журн. — 1980. — 26, № 3. — С. 60-69.
20. Дмитриева Н.Г., Эйнор Л.О. Роль макрофитов в превращении фосфора в воде // Вод. Рес. — 1985. — № 5. — С. 101-110.
21. Використання біологічних ставків з вищими водяними рослинамив практиці очищення стічних вод // Інформ. бюл. Держбуду. —2002. — № 4. — С. 38.
22. Стольберг В.Ф., Ладыженский В.Н., Спирин А.И. Биоплато — эффективная малозатратная экотехнология очистки сточных вод // Екологія довкілля та безпека життєдіяльності. — 2003. — № 3. — С. 32-34.
23. Ладыженский В.Н., Саратов И.Е. Защита водных объектов от загрязнения поверхностным стоком с территории полигонов ТБО // 1-я конференция с международным участием «Сотрудничество для решения проблемы отходов», 5-6 февраля 2004 г., Харьков.
24. Кравець В.В., Мережко О.І. Спосіб біологічного очищення поверхневих вод / Пат. 3550345/SU // Промисл. Вартість. — 1983. — № 3.
25. Knight R.I. Wildlife habitat and public use benefits of treatment wetlands // Water Sci. Technol. — 1997. — 35, N 5. — P. 35-43.
26. Коцарь Е.М. Инженерные сооружения типа «биоплато» как блок доочистки и водоотведения с неканализованных территорий: Тез.докл. междунар. конф. «AQUATERRA», Санкт-Петербург, 1999. — С. 72-73.