Применение водной растительности в технологии доочистки сточных вод

Светлана Третьякова,
Сергей Завалко

Ученые уже давно используют способности водных растений накапливать в своей биомассе определенные вещества и тем самым очищать загрязненную среду. Однако в последнее время специалисты ставят вопрос о необходимости гораздо более масштабного применения технологии гидроботанической  доочистки промышленно-бытовых сточных вод, причем не только в благоприятном климате,  но и в условиях Крайнего Севера.

В мировой практике очистки сточ­ных вод стадия биологической очистки сводится в основном к се­рии окислительных биохимических реакций, осуществляемых в биопрудах сообществом бактерий и прос­тейших. Результатом их деятельнос­ти является минерализация раство­ренной органики и окисление аммо­нийного азота до нитратных форм. Однако все большую актуальность приобретает доочистка сточных вод от общего азота и ортофосфатов, ос­таточных количеств тяжелых метал­лов, нефтепродуктов, фенолов, кото­рые поступают в природные водоемы в составе нормативно очищенных сточных вод и вызывают существен­ные нарушения видовой структуры и функционирования водных экосис­тем.

Существующие технологии очистки сточных вод ориентированы на высокие концентрации основных компонентов загрязнения, а также в основном на реакции окисления. Эффективная доочистка стоков от минеральных форм азота и фосфора, а также относительно невысоких кон­центраций основных токсикантов возможна в случае использования технологий, ориентированных на свойства водных организмов погло­щать данные компоненты загрязне­ния и накапливать их в процессе рос­та массы. Специфика компонента загрязнения предполагает, что ос­новным используемым биологичес­ким объектом в подобных технологи­ях должны быть водные многоклеточные растения. Ключевым моментом при определении оптимальных вариантов систем доочистки стоков с ис­пользованием организмов, потреб­ляющих компоненты загрязнения из воды, являются продукционные па­раметры и условия, способствующие их максимизации.

Согласно экологическим данным (Ю.Одум «Экология в двух томах». М., Мир, 1986), из всех типов водных (и наземных) экосистем наиболее продуктивными являются болота и марши. Они занимают около 2 % тер­ритории Земли, однако здесь удер­живается 14% органического углеро­да биосферы. Благодаря своей высо­чайшей первичной продукции болота обоснованно считаются наиболее эф­фективной системой доочистки сточ­ных вод. Также очевидно, что огром­ные объемы стоков, территориаль­ное распределение мест их форми­рования и химическая специфика оп­ределяют необходимость создания технологий искусственных болот, вхо­дящих в общую систему очистки сто­ков.

Естественные биологические спо­собы очистки сточных вод, основан­ные на способности водных растений к накоплению в своей биомассе опре­деленных веществ, давно использу­ются в мировой практике. Изначально подобные способы применялись на полях орошения и полях фильтрации, причем сущность процесса такой очистки заключается в контакте заг­рязнителей сточных вод с микроорга­низмами почвенного слоя и корневой системой растительности. Поля фильтрации служат только для очист­ки сточных вод, а поля орошения предназначены для выращивания сельскохозяйственной продукции. В практике водоотведения поля ороше­ния рекомендовались для сооруже­ния во всех климатических зонах, за исключением районов Крайнего Се­вера и районов вечной мерзлоты.

Сам способ доочистки сточных вод с использованием высшей вод­ной растительности называют био-гидроботаническим, гидроботани­ческим, гидробиологическим, биоло­гическим способом с применением высшей водной растительности.

Сооружения, где непосредственно высаживаются растения, в различных источниках называют искусственны­ми болотами, искусственными лагу­нами, биоплато, сооружениями, ими­тирующими процессы очистки, рас­тительными участками, прудами с высшей водной растительностью, экопрудами, биопрудами, ботаничес­кими площадками, плантациями мак-рофитов, грядами с раститель­ностью, в англоязычной литературе -treatment wetland, weltlands system.

Технологии гидроботанической очистки сточных вод могут приме­няться самостоятельно при очистке небольших объемов коммунальных сточных вод в небольших коттеджных поселках, а также и для глубокой до­очистки производственных стоков после основных этапов - механичес­кой и биологической очистки.

Устройство гидрооботанических площадок при всем разнообразии ти­пов образования и состава сточных вод, климатических особенностей местности, используемых видов рас­тений,   имеет   общие принципы конструирования и функционирова­ния. Сточная вода после сооружений биологической очистки попадает в искусственное болото, которое в об­щем случае при любом типе грунта включают гидроизоляцию, гравий, либо другой фильтрующий наполни­тель, трубу для подвода сточной во­ды, сбор очищенной воды и направ­ление ее в водоем или систему водо-оборота. (рис. 1)

Помимо искусственных болот для доочистки стоков применяют и нако­пительные пруды (рис. 2), в которые, могут отводиться не только сточные воды, но и поверхностные стоки и па­водковые воды.

При создании искусственного бо­лота либо накопительного пруда не­обходимо использовать рельеф мест­ности и строить его в низких местах. Для исключения загнивания воды в болоте, которое может произойти, если в нем начнут преобладать анаэ­робные процессы, рекомендуется предусмотреть систему аэрации во­доема (см. Е.П. Романова «Перспек­тивы использования водной флоры и фауны для доочистки сточных вод» /Материалы I Городской научно-прак­тической конференции-ярмарки «Нау­коемкие природоохранные техноло­гии», Тольятти, 27-30 июня, 1994 -Тольятти, 1994.- с. 47-50).

Очистка стоков в искусственном болоте осуществляется путем выса­живания высшей водной раститель­ности и за счет естественного разви­тия гидроценоза. В летне-осенний период с определенной периодич­ностью, в зависимости от темпов ве­гетации водных растений, их биомас­су необходимо укашивать для реаль­ного изъятия компонентов загрязне­ния в составе фитомассы. Изъятие образовавшейся растительной массы - обязательное условие технологии гидроботанической доочистки сто­ков. В противном случае накапливаю­щаяся растительная масса в резуль­тате ее последующего отмирания и разложения может служить источни­ком вторичного загрязнения, что зна­чительно ограничивает очищающие возможности системы искусственных болот. Изымаемая биомасса, в зави­симости от химической и микробио логической специфики стоков, мо­жет быть использована для производ­ства компоста, корма животных, сбраживания и производства биога­за, что значительно усиливает эколо­гическую составляющую данной тех­нологии.

Для эффективного использования высших водных растений использу­ются различные варианты конструк­тивных решений:

- уклон для потока воды;

- размещение 90% корневой сис­темы каждого растения в проточном объеме очищаемой воды и погруже­ние остальной части корней в пита­тельную среду, циркулирующую в изолированных от уровня очищаемой воды лотках;

- различная конфигурация и плот­ность посадки растений на планта­ции;

- гряды с растительностью с ис­пользованием в качестве почвенного субстрата зернистых (5-10 мм) инерт­ных пористых материалов - вспучен­ных сланцев, керамзита, вспененных полимеров, которые загружаются в сетки или жесткие сетчатые каркасы, легко извлекаемые вместе с культи­вируемыми растениями для гидрав­лического удаления накопившихся в поровом пространстве илистых ком­понентов загрязнений;

- каскадная система секций, вы­полненных в виде емкостей с высши­ми водными растениями (при этом очищаемая сточная вода последова­тельно перетекает в емкости с разны­ми видами растений, с падением в конце каскада в водобойный колодец. По завершении вегетации растений в емкостях цветоносы с семенами сре­зают и удаляют, а очистительную сис­тему промывают чистой водой и изо­лируют от отрицательной зимней температуры. Открытые водные сек­ции выполнены в виде очистительных емкостей с жесткими стенками пря­моугольной формы);

- система горизонтальных реакто­ров, обеспечивающих анаэробную очистку, аэробную обработку, доочистку высшей водной раститель­ностью;

- площадки, заросшие болотной растительностью, на которые путем еженедельного напуска слоем по 4-7 см (от 3,5 до 6,0 м3) подается сточная вода;

- растительные участки с уложен­ным в котлован водонепроницаемым слоем из бетона или полимерной пленки (котлован РУ глубиной 1-1,5 м заполняют камнями 100-150 мм, щеб­нем, грунтом с песком и компостом);

размещение декоративного био­пруда - биоплато непосредственно над приемным резервуаром, так что он своим весом препятствует всплы­тию последнего.

Технология гидроботанической доочистки стоков достаточно эффек­тивно применяется в европейских странах, США, в Индии, Китае. В Ве­ликобритании, Дании и других стра­нах распространены небольшие со­оружения для очистки сточных вод производительностью 1 тыс. - 5 тыс. м3/сут. на специально построенных растительных участках (Von Felde, К.N and COD - removal in vertical flow sys­tems / K. Von Felde, S. Kunst // Selec. Proc. 5th Int. Conf. Wetland Syst. Water Pollut. Contr., Vienna, 15-19 Sept., 1996. - Water Sci. andTechnol. - 1997. -35, № 5,- pp. 79-85). Обычные норма­тивные величины использования ис­кусственных болот составляют диапа­зон от 5 до 20 м2 площади раститель­ного участка на человека в год, хотя есть крупные установки, площадью в несколько гектаров, для очистки спе­цифических производственных сточных вод в Австралии и США.

В системе гидроботанической до­очистки стоков происходит эффек­тивное освобождение воды от взвеси, органики, аммиачного и нитратного азота, ортофосфатов. Однако, как по­казала мировая практика, примене­ние данной технологии оказалось удачным не только в случае очистки коммунально-бытовых стоков, но и для промышленных стоков, содержа­щих тяжелые металлы, другие высо­котоксичные компоненты. В США, например, используют 203 участка с высшей водной растительностью для очистки бытовых, сельскохозяйствен­ных, дождевых, рудничных стоков. При гидроботанической доочистке возможно и эффективное освобожде­ние стоков от патогенных микроорга­низмов.

Очистка сточных вод в сооружени­ях, имитирующих процессы очистки, происходящие в природных болотах, обеспечивает снижение на 70-90% содержание взвешенных веществ, на 50-70%  - фосфора, на 40-90% - тяжелых металлов и на 96% - экстрагируемых углеводородов. Очистка не в природ­ных, а в искусственно созданных со­оружениях, имитирующих природ­ные, протекает еще более интенсив­но, нежели в природных болотах. На­личие отстойников перед поступле­нием очищаемой воды в сооружения, работающие по типу процессов, про­текающих в болотах, а также нефтеловушек, обязательно. Продолжи­тельность эксплуатации подобных со­оружений, не требующих серьезного ухода, по некоторым данным, может превышать 25 лет. После этого срока может потребоваться замена или очистка материала, загруженного в сооружения.

Технологические особенности ис­следуемых методов зависят от геог­рафического расположения и клима­тических особенностей стран, в кото­рых применяется гидроботанический способ. В Индии, например, рассмат­ривались возможности использова­ния корневой системы многолетней сорной травы водяной гиацинт Eichhornia crassipes, широко распро­страненной в этой стране, для очист­ки бытовых сточных вод от органичес­ких и других загрязнений. Степень очистки для различных видов загряз­нений составляет 85-90% летом, зи­мой  - 44,2-52% (Kumar, E.S. «Очистка бытовых сточных вод». Corporative studies of physico-chemical changes in domestic sewage treatment with and without water hyacinth (Eichhornia cras­sipes) at muzaffarpur / Kumar Er. Sunil // Appropr. Waste Manag. Technol. Dev. Countries: Techn. Pap. Present 3rd Int. Conf., Nagpur, Febr. 25-26, 1995/ Vol.1.- Bombay etc., 1995/ - pp.479-486.

В России в последние годы неко­торыми компаниями предлагаются технологии использования эйхорнии (водного гиацинта) для очистки сточ­ных вод, зарегистрированы также па­тенты таких технологий.

В лаборатории университета Каи­ра (Египет) исследовалась возмож­ность применения бобовой культуры Lemna gibba (ЛГ) для очистки бытовых и промышленных сточных вод. Эф­фективность поглощения ЛГ солей Fe 80,7 - 85,6%, Zn 52,4%, Mn 99%, Ni 73%. В очищенной воде остались только следы Сг и Со.

В Китае в 1999 году исследовали спо­собность растения Polygonum amphibium linn выдерживать сильное загрязнение. Отмечена высокая эф­фективность очистки бытовых сточ­ных вод от загрязнений (за 5-6 суток -75%). Также для обработки сточных вод в КНР используются многоцеле­вые пруды, в которых разводятся бактерии, грибки, водоросли, прос­тейшие, многоклеточные, бентос, ры­бы, ракообразные, утки, гуси. Сфор­мированные в прудах пищевые цепи в этих усложненных гидробиоценозах под воздействием солнечной энер­гии, обеспечивают разложение орга­нических и других загрязнений в сточ­ных водах. При этом наблюдается эф­фективное снижение ВПК, ХПК, кон­центрации органического азота и фосфора.

Применение гидроботанического метода очистки является наиболее эффективным и для создания замкну­тых систем промышленного водос­набжения, основанных на принципе многократного использования сточ­ных вод, очищенных до норм, отвеча­ющих требованиям к качеству техни­ческой воды для производственных целей, а также снижает сброс загряз­ненных стоков предприятий в гидрос­феру ( см. В.В.Кравец «Высшая вод­ная растительность как элемент очистки промышленных сточных вод» / / «Экология и промышленность Рос­сии» № 8, 1999 - с. 20-23).

В целом обобщение опыта ис­пользования различных вариантов и модификаций данной технологи пока­зывает ее несомненную эффектив­ность (таблица 1).

Необходимо подчеркнуть, что гид­роботаническая технология доочист­ки осуществляется при минимальных затратах энергии, не требует больших капитальных и текущих затрат, проста в обслуживании и считается наиболее эффективной с экологической точки зрения. Свидетельство тому - прис­тальный интерес специалистов к дан­ному способу очистки, ее технологи­ческим особенностям,который в пос­ледние годы значительно повысился. На конференции «Проблемы сильно увлажненных и заболоченных земель и борьба с загрязнением воды» («Wetland System and Water Pollution Control»), состоявшейся в 1996 году в Вене (результаты опублико­ваны в сборнике «Water Science and Technology", 1997. 35, № 5), были рас­смотрены многие вопросы, связан­ные со строительством и эксплуата­цией искусственных болот в разных странах.

В различных обзорных материалах (например, DeSenna, М., Constructed wetlands provide cost-effective treat­ment for Florida Town / M. DeSenna // Water Environ, and Technol. 1999. - 11, N 5. - pp. 38 - 40; Hebert, N. «Очистка сточных вод в сельской местности». L'assainissement des collectivities rurales en Adour-Garonne (N.Hebert,//Adour Garonne: Rev. Agence eau. - 2001, № 83,hh.3-7) ука­зывается на целесообразность применения гидроботанического спосо­ба в развивающихся странах, где нет возможности вводить в строй доро­гостоящие очистные сооружения и где существующие очистные соору­жения по тем или иным причинам не дают требуемой по нормативным по­казателям степени очистки. Также наблюдается тенденция продвижения использования данного способа очистки в страны с более холодным климатом. (Donald, В., Constructed wetlands in the USA / Water Qual .Int-1994. - №4. - pp.24-28).

Гидроботанический метод кажет­ся, на первый взгляд, наиболее есте­ственным и достаточно простым. Од­нако для достижения сбалансирован­ности всех процессов, способных дать максимальный процент очистки, необходимо обращать внимание на то, что разрушение органических заг­рязнителей обуславливается потреб­лением кислорода почвой и ВПК во­ды, наличием и количеством опреде­ленных микроорганизмов, величиной рН, составом растворенных органи­ческих веществ и наличием соответ­ствующих микроорганизмов (Reddy, К. R. Biogeochemical indicators to eval­uate pollutant removal efficiency in con­structed wetlands / K. R. Reddy, E. M. D'Angelo // Selec. Proc. 5th Int. Conf. Wetland Syst. Water Pollut. Contr., Vienna, 15-19Sept., 1996 Water Sci. and Technol. 1997.-35, № 5 - p.p. 1-10).

Также необходим оптимальный подбор растительности, способной эффективно поглощать компоненты загрязнения при высоких темпах рос­та массы.

В завершении хочется отметить первый опыт применения искусствен­ного болота - биоплато в условиях За­полярья, в Мурманской области. При всех конструктивных и функциональ­ных недостатках участка биоплато, не позволивших реализовать в полной мере очистные возможности данной технологии, существенным положи­тельным и неожиданным моментом оказалась возможность круглогодич­ной вегетации основного эксплуати­руемого растительного объекта - осо­ки при условии постоянного срезания растений.

Поскольку очищающая способ­ность искусственных болот зависит от плотности и способа посадки высшей водной растительности, уровня за­топления растений и времени контак­та очищаемой сточной воды с корне­вой системой растений, необходимо предварительно определить опти­мально эффективный вариант распо­ложения растений эксперименталь­ным путем. Разработана схема соот­ношения распределения уровня во­ды, глубины грунта и участков выса­женной растительности на экспери­ментальном искусственном болоте в пос. Шонгуй Мурманской области. В порядке эксперимента было установ­лено, что для осоковых растений, вы­ращиваемых для доочистки сточных вод в условиях Заполярья, оптималь­ных значений роста биомассы расте­ния достигают при уровне воды сточ­ной жидкости над поверхностью бо­лота не более 30 см. Оптимальная плотность посадки растений состави­ла 5-6 кочек осоки на 1 м2 при распо­ложении их в шахматном порядке.

Приведенные результаты анализа практики применения технологии гидроботанической доочистки стоков на искусственных болотах и накопи­тельных прудах свидетельствуют о целесообразности обобщения и изу­чения этой экологической технологии для ее более широкого и всесторон­него применения.

Журнал «Вода Magazine», №3, 2007 г.