Глава 1. Высшая водная растительность и очистка водоемов
Рис.1.Камыш (лат. Scírpus) — род многолетних и однолетних прибрежно-водных растений семейства Осоковые.
В настоящее время предложен биогидроботанический способ очистки сточных вод. В основе биогидроботанического способа очистки сточных вод лежат биохимические процессы окисления, фильтрования, поглощения, накопления органических и неорганических веществ, минерализации, детоксикации, адсорбции, хемосорбции и др. Высокий очистительный эффект достигается там, где вода протекает через сообщество полупогруженных, плавающих и погруженных в воду растений. Имеющаяся на поверхности растений слизь (перифитон), а также снижение скорости течения жидкости в зонах зарастания способствует осаждению взвешенных веществ органического и минерального происхождения, что повышает прозрачность воды.
Высшая водная растительность способна осуществлять детоксикацию различных вредных веществ, сбрасываемых в водоем. Они поглощают пестициды – севин, атразин. Поглощаясь растениями, токсичные вещества инактивируются, проходя разнообразные химические превращения. Причем глубина погружения и концентрации потребляемых элементов существенно влияет на интенсивность поглощения органических и минеральных веществ. В результате сорбции биогенных веществ и насыщения воды водоема растворенным кислородом, выделяемым высшей водной растительностью в процессе жизнедеятельности, макрофиты позволяют предотвратить «цветение» водоемов и водохранилищ. Корневая система высшей водной растительности выделяет вещества бактерицидного действия – фитонциды, в результате чего происходит обеззараживание водоема. Таким образом, микроэлементный состав растений тесно связан с составом субстрата, на котором они произрастают. Растительные организмы не только сами приспосабливаются к физической среде, но и своей деятельностью приспосабливают геохимическую среду к своим биологическим потребностям. За рубежом в практике эксплуатации малых очистных сооружений для удаления биогенных элементов наряду с прудами с высшей водной растительностью применяются искусственные участки обводненных земель с высаженными на них водными растениями – так называемые «wetlend». Корни растений пронизывают загрузку (как правило, гравий), через которую сплошным потоком движется очищаемая вода. Эти участки в отечественной практике называют биоплато. Также рассматриваются особенности использования биоплато в северных странах. Отмечено, что, несмотря на снижение эффективности из-за низких температур и образования льда, биоплато успешно эксплуатируются в Канаде (67 сооружений), Дании, Швеции и Норвегии, Чехии, и СНГ.
При обработке сточных вод в биоплато большинство органических веществ и в растворе, и в виде частиц разлагается до углекислого газа и воды. При этом отмечается высокая эффективность удаления биогенных элементов, токсичных металлов и патогенных микроорганизмов. Растения ассимилируют биогенные вещества в биомассе, а в прикорневой системе создаются условия, повышающие активность биохимических реакций, т.е. макрофиты служат катализаторами процессов очистки.
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 во всем мире.
Во многих странах Америки довольно широко используется системы очистки шахтных вод на плантациях камыша и тростника. Описаны сооружения с камышовой растительностью для очистки хозяйственно-бытовых сточных вод в Нидерландах, Японии, Китае; для очистки загрязненного поверхностного стока в Норвегии , Австралии 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.
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.
По результатам промышленно-экспериментальных исследований процесса очистки бытовых сточных вод с использованием водного гиацинта в США, степень очистки по БПК5 достигает 97-98%.
В Китае водный гиацинт используется для очистки сточных вод кинофабрики от серебра. 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.
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.
Рис.2.Рого́з (лат. Týpha) — единственный род растений монотипного семейства Рогозовые
Как показали исследования, корневая система рогоза имеет высокую аккумулирующую способность относительно тяжелых металлов. 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.
Прибрежно-водная растительность, выделяя при фотосинтезе кислород, оказывает благотворное влияние на кислородный режим прибрежной зоны водоема. Обитающие на поверхности растений бактерии и водоросли (перифитон) выполняют активную роль в очистке воды. В зарослях прибрежно-водных растений развивается фитофильная фауна, которая также принимает участие в самоочищении воды и донных отложений; организмы бентоса утилизируют органическое вещество илов и обитающих там бактерий. Под влиянием всех этих процессов в воде повышается содержание растворенного кислорода, возрастает ее прозрачность и содержание биогенных веществ, снижается минерализация воды и количество промежуточных продуктов распада органического вещества.
Среди факторов среды, определяющих структурные и продукционные параметры макрофитов в прибрежной зоне можно выделить движение воды. Гидродинамика среды обитания водорослей влияет на ростовые параметры водорослей: в условиях интенсивного движения воды рост массы водорослей может значительно возрастать. Этот эффект проявляется как на уровне слоевища, так и на популяционном уровне.
Величина подвижности воды во многом определяет морфологию талломов водорослей, что, в свою очередь влияет на их обтекание. Кроме того, биохимический состав тканей макрофитов, общее содержание биоорганических веществ, распределение ассимилятов по профилю слоевища также во многом регулируется гидродинамическим воздействием.
Большое значение имеет наличие у некоторых растений водных корней. У тростника, к примеру, они образуются под водой в узлах побегов. Общая поверхность этих корней в зависимости от числа побегов может в 10-15 раз превышать площадь, занимаемую растениями. Роль водных корней в очистке воды от растворенных и взвешенных частиц чрезвычайно велика. Так, в лабораторных экспериментах заросли тростника и рогоза задерживали водными корнями до 90% взвешенных веществ, содержащихся в животноводческих стоках. Эти исследования свидетельствуют о больших возможностях использования прибрежно-водной растительности для защиты водоемов от взвешенного материала, содержащегося в сточных водах.
На растениях хорошо задерживаются не только взвешенные частицы, но и органические эмульсии, жировые и нефтяные пленки. Они вместе с минеральными частицами и органическими суспензиями образуют более крупные агрегаты, которые в дальнейшем разрушаются уже донными организмами. К примеру, разложение нефти в присутствии растений протекает в 3-5 раз интенсивнее, чем без них.
Биогенные вещества, прежде всего, накапливаются в листьях и генеративных органах. Наиболее высока их концентрация в побегах ранней весной (за счет перемещения из корневой системы). По мере роста биомассы концентрация постепенно снижается, а к концу вегетации (начиная с августа) происходит отток элементов минерального питания в подземные запасающие органы растений. Так, к концу вегетационного сезона содержание азота в корневой системе тростника возрастало в 3-4 раза. Однако значительная часть элементов все же остается в отмерших остатках растений и при их разложении снова возвращается в водоем, вторично загрязняя его. Поэтому для поддержания водоема в «здоровом» состоянии требуется систематическое выкашивание водных растений.
Концентрация многих химических элементов в тканях растений напрямую зависит от их содержания в грунтах и в воде. Консервация биогенных элементов в подземных органах имеет немаловажное значение для формирования качества воды.