Использование гидрофильной растительности в процессе биологической очистки сточных вод

Загрузка...

Проведен анализ эффективности очистки сточных вод при помощи аборигенной гидрофильной растительности. Приведено обоснование их использования в условиях Западной Сибири. Показано, что удаление тяжелых металлов происходит за счет их усвоения и сорбции на поверхности растений. Отражено влияние цинка и меди на исследуемые растения и источники их поступления в сточные воды. Сделан вывод об эффективности использования данной водной растительности в целях очистки смешанных сточных вод от тяжелых металлов.

Ключевые слова: биологическая очистка; тяжелые металлы; гидрофильная растительность; сточные воды

 

Загрязнение водных объектов является серьезной проблемой современности. Требуются как новые решения, так и оптимизация технологии очистки сточных вод. В частности, в рамках решения последней задачи целесообразно повышение эффективности биологической очистки смешанных стоков и уменьшение стоимости очистки в биопрудах с естественной аэрацией и гидрофильной растительностью, что определяет содержание рассматриваемой работы, обосновывая актуальность развития этого способа и расширения практики использования в Сибири [1-2].

В условиях Западной Сибири биологическая очистка при помощи пруда с торфяным субстратом и болотной растительностью является наиболее актуальной, т.к. являясь природными веществами, они не накапливаются в окружающей среде и легко утилизируются в ней. В таком биоценозе поллютанты усваиваются растениями, сорбируются торфяным субстратом и частично разлагаются [1]. В качестве такого биологического пруда выступает Обское (евтрофное) болото, оно находится в условиях антропогенного загрязнения: служит приемным резервуаром коммунально-бытовых сточных вод, сбрасываемых ЖКХ с. Мельниково [3].

Целью исследования являлось оценить эффективность снижения концентрации тяжелых металлов в сточных водах в процессе их биологической очистки с использованием гидрофильной растительности.

Влияние сброса сточных вод на растительный покров болот мало изучено. Растения поглощают элементы минерального питания, в том числе металлы, не пропорционально содержанию в субстрате, а избирательно. При этом они накапливают в своих тканях те или иные химические элементы.

Проследить влияние сточных вод на растительный покров можно на основании геоботанических критериев – растений, не характерных для болотного ландшафта, появляющихся под влиянием сброса сточных вод. В качестве геоботанических критериев могут использоваться тростник обыкновенный, осока, рогоз и др. [4].

Биологические методы очистки с помощью высших водных растений хорошо себя зарекомендовали в системе очистки коммунально-бытовых стоков, как наиболее экологически и экономически выгодные, благодаря простоте технологии и низким эксплуатационным расходам. Они применяются для очистки сточных вод, окончательно формируя качество очищаемой воды, на  предприятиях молочно-консервной, пищевой, нефтеперерабатывающей промышленности, в животноводстве и т.п.

Отмечено, что чем шире видовой состав растений в водоёме, тем эффективнее происходит очистка сточных вод. Согласно литературным данным наиболее результативным является совместное присутствие в водоеме различных полупогруженных или «земноводных» растений, в частности  тростника и рогоза.

Как показали исследования, корневая система рогоза имеет высокую аккумулирующую способность относительно тяжелых металлов [5]. 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.

В работе [6] 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 высших водных растений 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 [7], увеличивается под действием света, зависит от рН воды, а также от видовых особенностей растений [8], густоты биомассы [9] и ряда других факторов, а именно — температуры и кислородного режима.

Химический состав растений, как известно, отражает элементный состав почв. Поэтому избыточное накопление тяжелых металлов растениями обусловлено, прежде всего, их высокими концентрациями в почвах или воде. В своей жизнедеятельности растения контактируют только с доступными формами тяжелых металлов, количество которых, в свою очередь, тесно связано с буферностью.

Механизмы устойчивости растений к избытку тяжелых металлов могут проявляться по разным направлениям: одни виды способны накапливать высокие концентрации тяжелых металлов, но проявлять к ним толерантность; другие стремятся снизить их поступление путем максимального использования своих барьерных функций. Для большинства растений первым барьерным уровнем являются корни, где задерживается наибольшее количество тяжелых металлов, следующий – стебли и листья, и, наконец, последний – органы и части растений, отвечающие за воспроизводительные функции.

Из более, чем 40 элементов, относящихся к тяжелым металлам, наиболее распространенными являются свинец, кадмий, медь, цинк, никель, хром, олово, молибден, кобальт. Повышенные концентрации этих элементов в совокупности или по отдельности встречаются во всех техногенных геохимических аномалиях. Остальные тяжелые металлы в опасных для организмов концентрациях встречаются крайне редко.

В исследуемых сточных водах из этого перечня встречаются: свинец, цинк.

По степени токсичности элементы разделяют на вещества II класса опасности (высокоопасные) – Pb и вещества III класса (умеренно опасные) – Zn.

Данные микроэлементы были выбраны в качестве объектов, т.к. они практически не утилизируются в ходе механической, физико-химической и биологической очистки в отличие от нефтепродуктов и соединений азота.

 

Методика исследования

 

Методика работы заключалась в постановке опытов по трансформации химического состава сточных вод в резервуарах с образцами гидрофильных растений и анализе полученных результатов.

В качестве объекта исследования выбрано оз. Песчаное, расположенное в Томском районе в 5 км на юго-запад от города Томска.

Сточные воды отобраны на одном из выпусков ООО «Водоканал», т.к. они содержат весь перечень загрязняющих веществ, характерных для Западной Сибири.

Отбор растительности и сточных вод проводился одновременно: 24 июля 2013 г.

Растения рогоз широколистный (Typha latifolia L.) и тростник обыкновенный (Phragmites australis L.) были выбраны в качестве тестируемых объектов т.к. они имеют широкое распространение, имеют широкий диапазон экологической толерантности и доминируют среди других видов гидрофильных растений, а также они имеют большую площадь поверхности для поглощения.

Образцы водных растений отбирались в нескольких пунктах водоема. Вес пробы водных растений 50 г. Отбору проб подлежали нормальные по внешнему виду образцы продукции. [10]. Образцы растительности (рогоз и тростник) вместе с корневой системой были помещены в полиэтиленовые емкости объемом 5 л, установленные на солнечной стороне с постоянным освещением во время всего светового дня в открытом помещении с температурой воздуха от 150С в ночное время и до 300С в дневное. В емкости были добавлены сточные воды объемом 0,5 и 1 л. Измерение концентрации тяжелых металлов проводились через 5, 15, 25 суток.

Содержание указанных элементов определялось методом инверсионной вольтамперометрии (ИВА) в аккредитованной гидрогеохимической лаборатории Томского политехнического университета.

 

Результаты исследования и их обсуждение

 

Анализ полученных данных показал, что накопление макрофитами тяжелых металлов происходит неоднозначно. Свинец эффективнее поглощается растениями, в отличие от цинка, т.к. он способен образовывать соединения, что затрудняет его поглощение.

Поглощение тяжелых металлов растительностью происходит главным образом корневой системой, а также за счет поверхности соприкосновения растений с водой [11]. Они поглощают элементы выборочно. Накопление и распределение тяжелых металлов в растениях зависит от их вида, биодоступности, рН, растворенного кислорода, температуры и секреции корней [12].

Эффективность биологической очистки сточных вод гидрофильной растительностью представлена в таблицах 1-2.

Таблица 1.

Очистка сточных вод от цинка с помощью гидрофильной растительности

Растение

Объем пробы, мл

Время, дни

Концентрация, мг/л

Zn

Рогоз

500

0

0,0372

5

0,16

15

0,047

25

0,077

1000

0

0,0372

5

0,15

15

0,1

25

0,043

Тростник

500

0

0,0372

5

0,05

15

0,033

25

0,0345

1000

0

0,0372

5

0,048

15

0,048

25

0,059

 

Цинк поступает в сточные воды в результате функционирования автотранспорта, коррозии труб и вымывания его из них и иных коммуникаций. При высоких концентрациях цинка его накопление в растениях строго дифференцировано: в корнях аккумулируется около 90% элемента.

При избытке цинка в растениях нарушается ряд биохимических процессов. Поскольку цинк является антагонистом кальция, а также способен образовывать с фосфором малорастворимые соли, растение может испытывать дефицит этих элементов с характерными признаками кальциевого и фосфорного голодания [13].

В результате очистки сточных вод рогозом и тростником во всех объемах наблюдается незначительное увеличение концентрации. Высокие концентрации в пробах на 5 день эксперимента можно объяснить адаптивной реакцией растений на стресс в условиях поступления сточных вод. Для того чтобы достигнуть эффективной очистки вод, необходимо увеличить время контакта растений со сточными водами.

 

Таблица 2.

Очистка сточных вод от свинца с помощью гидрофильной растительности

Растение

Объем пробы, мл

Время, дни

Концентрация, мг/л

Pb

Рогоз

500

0

0,0059

5

0,0058

15

0,00076

25

0,0011

1000

0

0,0059

5

0,012

15

0,0038

25

0,0016

Тростник

500

0

0,0059

5

0,0018

15

0,0014

25

0,0022

1000

0

0,0059

5

0,0052

15

0,0024

25

0,0026

 

Свинец, встречающийся в окружающей среде, является результатом деятельности человека, в большинстве случаев. Применение свинца в бензине приводит к тому, что он попадает в атмосферный воздух через выхлоп автомобилей, но часть его возвращается во время дождя. Из воздуха свинец попадает на растения непосредственно через осадки или косвенно, посредством внедрения из почвы.

Максимальное накопление свинца обнаружено в корнях. Листья также способны содержать свинец. Поры в листьях растений пропускают углекислый газ, необходимый для фотосинтеза, и выделяют кислород. Чрезмерное загрязнение свинцом покрывает поверхность листа и уменьшает количество света, достигающего его. Это приводит к остановке роста или гибели растений, уменьшая темп фотосинтеза, затрудняя дыхание, поощряя удлинение растительных клеток, влияющих на развитие корня, вызывая преждевременное старение [14].

В результате очистки сточных вод рогозом, при объеме 500 мл концентрация снизилась в 5 раз, при объеме 1000 мл – в 3,5 раза. При очистке с помощью тростника концентрация свинца снижается в 2,5 раза в обоих случаях. Во всех пробах на 15 день эксперимента, кроме рогоза при объеме 1000 мл, наблюдается максимальная степень очистки, после чего концентрации незначительно увеличиваются. Это говорит о том, что наивысшая поглотительная способность растениями свинца приходится на 15день, после чего она уменьшается.

Заключение

В данной работе изложены современные научные взгляды и данные о роли высших водных растений в очистке воды. Освящены научные и практические основы очистки смешанных сточных вод с помощью водных растений.

Анализ проведенного опыта показал, что наибольшим эффектом очистки сточных вод в условиях Западной Сибири обладает рогоз, менее эффективным является тростник. Рогоз обладает большей способностью для поглощения тяжелых металлов. Он способен выдерживать достаточно высокие концентрации металлов без серьезного физиологического повреждения. Наибольшее содержание тяжелых металлов наблюдалось в корнях, меньше всего – в листьях [15]. Наилучший эффект очистки обнаружен при объеме сточных вод 1 л. Это объясняется……

 

Список использованной литературы

1.     Савичев О. Г. Биологическая очистка сточных вод с использованием болотных биогеоценозов // Известия Томского политехнического университета. – 2008. – Т. 312. – № 1. – C. 69-74.

2.     Савичев О. Г., Базанов В.А., Ломакина Н. Ю. Анализ эффективности очистки коммунально-бытовых сточных вод в томской области // Вестник науки Сибири. – 2012. – № 1 (2). – С. 17-24.

3.     Савичев О. Г., Гусева Н. В., Куприянов Е. А. и др. Химический состав вод обского болота (Западная Сибирь) и его пространственные изменения под влиянием сбросов загрязняющих веществ // Известия Томского политехнического университета. – 2013. – Т. 323. – № 1. – C. 168-172..

4.     Вода России. Социально-экологические водные проблемы / Под науч. ред. А. М. Черняева; ФГУП РосНИИВХ. – Екатеринбург : Издательство «АКВА-ПРЕСС», 2000. – 364 с.

5.     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.

6.     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.

7.     Смирнова Н. Н. Эколого-физиологические особенности корневой системы прибрежноводной растительности // Гидробиол. Журн. — 1980. — 26, № 3. — С. 60-69.

8.     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.

9.     Дмитриева Н. Г., Эйнор Л. О. Роль макрофитов в превращении фосфора в воде // Вод. Рес. — 1985. — № 5. — С. 101-110.

10. Порядок отбора проб для выявления и идентификации наноматериалов в растениях. Методические указания – М.: Федеральный Центр гигиены и эпидемиологии Роспотребнадзора, 2010 – __ с.

11. Kibria M. G., Islam M, Alamgir M. Influence of waste water irrigation on heavy metal Accumulation in soil & plant // International Journal of Applied and Natural Sciences. – 2012. – Vol.1. – P. 43-54.

12. Cheng S. Heavy metals in plants and phytoremediation // J. Environ. Sci. Pollut. Res. Int. – 2003. – № 10 (5). – P. 335-340.

13. Черных Н.А. Изменение содержания ряда химических элементов в растениях под действием различных количеств тяжелых металлов в почве// Агрохимия. - 1991. - № 3.- С. 68-76.

14. Greene D. Effects of lead on the environment // LEAD Action News. – 1993. – Vol. 1. - № 2.

15. Sasmaz A., Obek E., Hasar H. The accumulation of heavy metals in Typha latifolia L. Grown In a stream carrying secondary effluent // Ecological engineering. – 2008. - № 33. – P. 278–284.

Загрузка...
Комментарии
Отправить