XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2019

Введение

В последнее время загрязнение окружающей среды приобретает характер глобальной экологической угрозы, а водные объекты являются одними из главных накопителей загрязнителей, так как промышленные и бытовые стоки содержат ряд токсичных веществ. Среди них могут быть органические и неорганические вещества с выраженными токсическими свойствами: удобрения, красители, пестициды, тяжелые металлы, радионуклиды и др. В связи с этим возрастают требования к методам очистки и доочистки сточных вод. Традиционно применяемые физико-химические методы эффективны, но достаточно дороги и, кроме того, могут создавать дополнительную нагрузку на водоемы. Необходима замена действующих устаревших технологий и оборудования очистки сточных вод на новые.

Фиторемедиационные технологии очистки сточных вод, основанные на использовании растений в сообществе с микроорганизмами, представляют в экологическом плане эффективное дополнение, а в некоторых случаях - альтернативу традиционным технологиям.

Именно поэтому исследование и изучение фиторемедиационных технологий очистки воды, почвы и атмосферы очень важны в наше время.

1.Фиторемедиация как явление

Фиторемедиация от греческого "фитон" (растение) и латинского "ремедиум" (восстанавливать)— комплекс методов очистки сточных вод, грунтов и атмосферного воздуха с использованием зеленых растений.¹

С развитием технологий все большее количество веществ используется человеком в хозяйственной деятельности. Большинство используемых в технологических процессах веществ не встречается в естественной природе. Они не вписаны в природные круговороты, не имеют сложившихся химических и биохимических отношений с абиотическими компонентами экосистем и с биотой. То есть являются по отношению к естественным экосистемам загрязнителями. Состав этих продуктов весьма разнообразен, что затрудняет создание универсальной технологии утилизации твердых и жидких промышленных и бытовых отходов.²

Не углубляясь в подробный перечень веществ, входящих в состав ПО и ТБО, можно сказать, что большинство из них являются вредными и опасными уже в силу своего антропогенного, то есть неестественного происхождения. Количество этих веществ колоссально и продолжает нарастать. Количество твердых бытовых отходов (ТБО) только в России ежегодно возрастает на 30 млн тонн. Большая часть этих отходов попадает на специализированные полигоны для захоронения или хранения, редко для переработки. В силу того, что состав сбрасываемых веществ на разных полигонах различен, а также из-за множества других факторов, часто неизвестно, какие процессы происходят в массе накапливаемых отходов. Продукты этих реакций разным путем: с пылью, с дренажной водой, плоскостным поверхностным смывом и др. попадают в реки, на земли сельскохозяйственного назначения. А оттуда - на стол человеку, который будучи универсальным консументом, потребляет загрязнители как непосредственно с растительной, так и опосредованно, с животной пищей. Сложившаяся ситуация вызывает озабоченность властей, ученых, общественности и обусловливает необходимость разработки массовых простых и достаточно эффективных технологий возврата в природу элементов, прошедших реформацию в ходе хозяйственных процессов и ставших, таким образом, загрязнителями.²

Для решения проблемы утилизации и обеззараживания отходов разработано много разнообразных технологий, часть из них более или менее успешно применяется и в ряде случаев даёт положительный экологический и экономический эффект. В европейских государствах 40 % отходов превращают биологической обработкой в органические удобрения, 10 % сжигают на мусоросжигательных заводах, 40 % отходов захоранивают в третьих странах, а оставшиеся 10 %, в основном активный ил, сбрасывают в моря³

В настоящее время на фиторемедиацию в США затрачивается порядка 150 млн долларов в год, что составляет 0,5 % всех затрат на очистку окружающей среды. В Европе фиторемедиация пока не имеет широкого применения, однако ситуация может измениться в ближайшем будущем в связи с повышением к ней интереса, а также по причине наличия большого количества загрязнённых районов на территории восточно-европейских государств - членов Евросоюза ⁴. Фиторемедиация также может получить широкое применение в развивающихся странах в связи с низкой себестоимостью и простотой применения. Возможность очистки почвы и воды от радионуклидов с помощью проростков подсолнечника была успешно продемонстрирована на территории, зараженной ураном, в США, а также на Украине, на небольшом водоеме в километре от четвертого реактора Чернобыльской АЭС. Концентрация урана в растениях в тридцать тысяч раз превышала его концентрацию в почве и воде, а для цезия-137 и стронция-90 эта величина составила в восемь и две тысячи раз соответственно.²

Значительную часть загрязнителей водных угодий составляют неорганические поллютанты, которые не могут быть деградированы только почвенными процессами. Это макроэлементы растений (нитраты, фосфаты), микроэлементы (такие как Сг, Си, Бе, Мп, Мо, 2п), несущественные для растения элементы (С^ Со, Б, Н^, Бе, РЬ, V, W) и радиоактивные изотопы (и238, Сб137 и Бг90). Сюда же следует отнести группу поллютантов, представленных так называемыми тяжелыми металлами.¹

Тяжелые металлы - это условно названная группа металлов и металлоидов с атомным весом более 50 у.е. При дефицитном или нормальном их содержании в почвах и живых организмах они выступают как микроэлементы, при избытке - как ядовитые вещества. ²

Пока полностью не выяснен механизм поглощения и перемещения поллютантов по тканям растений. Однако предполагается, что накопление ионов веществ - загрязнителей, в том числе тяжелых металлов, является проявлением попытки растения защитить жизненно важные структуры от избыточного поступления этих веществ. Начальным органом защиты растительного организма от токсикантов является корковая система корня. Защита сводится в основном к задержке избыточных ионов в корнях, к ограничению их поступления в важные обменные центры, репродуктивные и запасающие органы. ²

В результате содержание тяжелых металлов в корнях может быть в десятки раз больше, чем в наземных органах. При этом очевидна существенная специфика растений. Например, для клевера соотношение между содержанием тяжелых металлов в корнях и надземной части значительно меньше, чем для ячменя. В овощных культурах (капуста, свекла), наоборот, загрязненность в надземной части в 3-5 раз выше, чем в корнях. По отношению к разным тяжелым металлам защитные возможности растений проявляются неодинаково. Так свинец в основном задерживается уже в корнях, а кадмий - легко проникает в надземные органы. ²

Первые научные исследования фиторемедиации были проведены в 50-х годах в Израиле.¹ А использовать растения-гипераккумуляторы для очистки почвы и воды предложили в начале 80-х годов.⁵

В настоящее время производятся активные исследования гипераккумуляторов (например, водяной гиацинт — Eichhornia crassipes — уже применяется в фиторемедиации), а также возможности генной модификации растений (трансформация растений бактериальными генами, ответственными за деградацию органических веществ, например, метилртути и взрывчатых веществ). ¹

2.Способы очистки сточных вод

Рис.1.Способы очистки сточных вод с помощью фиторемедиации

2.1.Фитоэкстракция

При фитоэкстракции (иногда называемой фитоаккумуляцией, а применительно к извлечению радионуклидов – фитодезактивацией) загрязнения поступают из почвы в растения через корневую систему, концентрируются в их наземных тканях (листьях и стеблях) и удаляются из окружающей среды при сборе урожая растений. Загрязненную растительную массу можно затем высушить (на солнце, на воздухе или обогревом), сжечь (или озолить), переработать (компостированием, анаэробным сбраживанием, выщелачиванием, экстракцией загрязнений растворителями), извлечь полезные компоненты, спрессовать и уплотнить, захоронить на специальных участках. Эффективность фитоэкстракции обусловлена: - способностью растения к росту на загрязненной почве, - способностью к поглощению тяжелых металлов, - урожайностью растения, - фитодоступностью элемента в почве. Фитодоступность элемента сильно зависит: от вида элемента, от концентрации элемента в почвенной среде, от почвенных условий, погодных и климатических условий.⁶

При фитоэкстракции используются растения – гипераккумуляторы тяжелых металлов и радионуклидов. Всего к настоящему времени выявлено около 400 видов растенийгипераккумуляторов. Большинство из них (около 300) накапливают Ni. В повышенных концентрациях могут накапливаться Zn, Cd, Cu, Co, Pb, Cr, Mn, Se, S, B, F. Однако не каждое растение-гипераккумулятор пригодно для фиторемедиации. Растение должно не только отличаться способностью накапливать загрязнения и быть устойчивым к ним, но и давать высокий урожай, селективно извлекать загрязнения. Растения, которые аккумулируют загрязнения главным образом в корневой системе, непригодны для фитоэкстракции, поскольку сбор корней затруднителен и требует больших затрат. Биомасса с накопленными загрязнениями должна быть наземной. Наземная фитомасса может быть собрана с помощью обычной сельскохозяйственной техники и перевезена на места складирования и переработки. С учетом возможностей акклиматизации и урожайности подобран ряд растений, которые могут использоваться для извлечения металлов из загрязненных почв.⁶

Растения гипераккумуляторы- ряска (гигантская) , яру́тка , подсолнечник. Однако не каждое растение-гипераккумулятор пригодно для фиторемедиации. Растения, которые аккумулируют загрязнения главным образом в корневой системе, непригодны для фитоэкстракции, поскольку сбор корней затруднителен и требует больших затрат. Биомасса с накопленными загрязнениями должна быть наземной. Наземная фитомасса может быть собрана с помощью обычной сельскохозяйственной техники и перевезена на места складирования и переработки.⁵

Открытие гипераккумулирующих видов еще больше содействовало развитию данной технологии. Такие растения извлекают большие концентрации тяжелых металлов корнями, перемещаюь их в надземную биомассу и продуцируют большое количество растительной биомассы. ⁵

Таблица 1. Растения для фитоэкстракции ⁶

Рис.2. Ряска Рис.3 Ярутка

Рис.4. Горчица Рис.5. Смолёвка широколистная

Из растений гипер-аккумуляторов особо выделяется водяной гиацинт. Поскольку водяной гиацинт или эйхорния обладает уникальными свойствами: оно способно поглощать из воды многие виды загрязнений, аккумулируя их. Водяной гиацинт питается инсектицидами, фосфатами, фенолами, тяжелыми металлами с включениями кадмия, никеля, серебра, а также ядовитыми спиртами и радионуклидами. Растение красиво цветет, и оно не требует сложной технической эксплуатации. Некоторые города России начали эксперименты с применением биологической очистки воды, например, в Балашове Саратовской области тропический цветок из Амазонии произрастает на каналах сточных вод. Уникальное растение активно произрастает в условиях тропического климата. Чем грязнее водоем - тем быстрее размножается водный гиацинт. В Африке растение произрастает круглый год и считается "зеленой чумой" за счет своего плотного покрова, мешающего судоходству и существованию некоторых видов рыб. Водяной гиацинт- перспективный гиппераккумулятор для очистки водоёмов на летний период, засчёт быстрого разрастания и высокой очищающей способности.⁷

Рис.6. Водяной гиацинт (Эйхорния)

2.2.Фитотрансформация, фитодеградация, фитоиспарение

При фитотрансформации и фитодеградации используется способность ферментных систем некоторых растений трансформировать или деградировать ряд органических загрязнений. Поступившие через корневую систему летучие органические загрязнения могут выделяться в атмосферу через листья в нетрансформированном или трансформированном виде и в дальнейшем с большей скоростью, чем в почве или грунтовых водах, претерпевать химические и фотохимические превращения в атмосфере. В таких случаях растения можно использовать для извлечения токсикантов из почвы или водной среды (метод фитоиспарения). Фитоиспарение возможно и для некоторых химических элементов, в частности, ртути и селена, а также метилированных металлов, мышьяка и селена. Однако такой метод фиторемедиации относительно эффективен только при высоких концентрациях токсикантов и не нашел широкого практического применения. ⁶

2.3. Фитостабилизация

Фитостабилизация – использование растений для уменьшения мобильности загрязнений в почве, их выщелачивания в грунтовые воды, распространения с водными или воздушными потоками, по пищевым цепям. Наиболее часто фитостабилизацию применяют для уменьшения подвижности тяжелых металлов. В результате физико-химических или химических процессов, протекающих в прикорневой зоне, металлы адсорбируются или осаждаются вблизи или на корнях растений в виде карбонатов, сульфидов, фосфатов или гидроксидов. Также при фитостабилизации снижается эрозия почв. Фитостабилизацию применяют для снижения миграции загрязнений с полигонов отходов, мусорных свалок и т. п. Фитостабилизацию часто рассматривают как один из этапов рекультивации почвы и восстановления нарушенных почвенных экосистем и применяют совместно с известкованием, внесением органических мелиорантов, структураторов для понижения кислотности почв, фитотоксичности тяжелых металлов и улучшения условий роста растений. В фитостабилизации используют растения, устойчивые к загрязнениям, способные быстро образовывать плотный растительный (травянистый) покров и иммобилизовать загрязнения в почве в результате интенсивного корневого обмена или осаждения. Эти растения должны иметь низкую способность к аккумуляции загрязнений в наземной зеленой биомассе, чтобы избежать необходимости переработки убранной загрязненной фитомассы. ⁶

Могут быть использованы и растения – гипераккумуляторы металлов. С помощью фитостабилизации задача уменьшения риска проникновения загрязнений в окружающую среду, особенно на больших площадях, часто решается меньшими средствами по отношению к фитоэкстракции. Это обусловлено меньшими затратами на переработку и использованием менее загрязненной растительной массы. Кроме того, при фитостабилизации наземную фитомассу и продукты ее переработки можно в последующем запахивать в почву загрязненного участка. В этом случае уменьшается общее количество отходов, увеличивается содержание органического вещества в почве, улучшаются почвенные условия, образуется «чистый» почвенный слой поверх исходных контаминированных слоев, что снижает риск распространения загрязнений. Фитостабилизация не устраняет количество загрязнений в окружающей среде, поэтому необходим мониторинг загрязненных участков с отслеживанием миграции и трансформации поллютантов и предотвращения их проникновения в грунтовые или поверхностные воды и атмосферу. ⁶

Растения применяемые в фитостабилизации: овсяница овечья, горчица ру́сская, пшеница мягкая, амбро́зия полынноли́стная, армерия приморская, рапс.

Рис.7. Овсяница овечья Рис.8. Амброзия полыннолистная

Рис.9 Армерия приморская Рис.10. Пшеница

2.4. Ризофильтрация

Ризофильтрация – использование корневой системы растения для удаления тяжелых металлов, радионуклидов из загрязненных стоков, поверхностных или грунтовых вод. Растения абсорбируют в тканях корней, адсорбируют на поверхности корней, осаждают и концентрируют токсичные металлы в прикорневой зоне. В отличие от фитоэкстракции металлы не переносятся в наземную часть растений. Идеальное растение для ризофильтрации должно иметь быстрорастущую корневую систему со способностью поглощать токсичные металлы из раствора на протяжении длительного времени. Для уменьшения загрязненной и требующей дальнейшей переработки фитомассы растения, используемые для ризофильтрации, должны иметь низкую способность к транслокации тяжелых металлов в стебли и листья. Ризофильтрацию проводят с использованием наземных растений, выращиваемых в условиях гидропонной культуры. Растения первоначально высаживают в лотки, омываемые чистой водой, или в почву. После того, как корневая система достаточно хорошо развилась, растения распределяют в лотках и омывают водой при постепенном повышении содержания загрязнений. Металлы аккумулируются в корневой системе. Затем корни собирают, высушивают, компостируют, озоляют, а получаемые компактизированные остатки при необходимости подвергают дальнейшей обработке и/ или захоранивают. ⁶

В качестве растений, успешно апробированных в методе ризофильтрации, хорошо зарекомендовал себя подсолнечник. При ризофильтрации растения в состоянии поглотить до 60% тяжелых металлов от своего сухого веса. Ризофильтрация особенно эффективна и экономически целесообразна при небольших концентрациях загрязнений и больших объемах очищаемой воды. Вместе с тем этот метод можно применять для очистки даже жидких радиоактивных отходов. Однако часто этот метод оказывается более дорогим, чем традиционные методы удаления металлов из загрязненных вод. Эффективность ризофильтрации можно повысить, комбинируя ее с использованием микроорганизмов. Для этого специально выращенные микроорганизмы добавляют к растениям при обработке семян или смешивают с ирригационной водой. ⁶

Растения, обладающие наибольшей способностью к ризофильтрации: подсолнечник, индийская горчица, табак, рожь, шпинат и кукуруза.

Рис.11. Подсолнечник Рис.12. Табак

Рис.13. Шпинат Рис.14. Кукуруза

2.5. Ризосферная биоремедиация

В ризосферной биоремедиации (иногда называемой ризосферной биодеградацией, ризодеградацией, фитостимулированием) органические соединения разлагаются при совместном действии растений и микроорганизмов, обитающих в прикорневой зоне растений – ризосфере. Ризосферной биоремедиации сопутствуют и такие процессы как фитоиспарение, фитодеградация, гумификация, накопление органического вещества в почве. Типичное применение ризосферной биоремедиации – очистка почв, загрязненных нефтью и нефтепродуктами, BTEX, ПАУ, ПХБ и другими ароматическими соединениями гидрофобной природы, гербицидами алахлор и атразин. Для проведения фиторемедиации в почвы вносятся удобрения и высеваются луговые травы, бобовые культуры. Также могут использоваться растения, секретирующие в составе корневых выделений повышенные количества веществ с фенолсодержащими группами, такие как шелковица и маклюра (американский апельсин, "конское яблоко"). Эти вещества индуцируют у микроорганизмов синтез ферментов, участвующих в деградации ПАУ, ПХБ и других соединений с ароматическими группами. В частности, в благоприятных почвенных условиях в результате ризодеградации за один сезон вегетации может быть разложено около половины ПАУ, присутствующего в прикорневой зоне.

Для проведения ризосферной фиторемидиации в почвы высеваются луговые травы, бобовые культуры, шелковица и маклюра. ⁶

Рис.15. Шелковица Рис.16. Маклюра

Рис.17. Клевер Рис.18. Люцерна

3.Использование фиторемедиации в ландшафтной архитектуре

В данный мировое сообщество озабочено созданием природных фильтров для водоёмов, отчищающих воду от механических примесей и вредных веществ, обогащая ее кислородом. Работа таких систем основана на фиторемедиации.

3.1 Биопруды

Богатые биоценозы биопрудов и гидроботанических площадок позволяют практически полностью удалять остаточные количества многих соединений, обезвреживать патогенную микрофлору, яйца гельминтов. Очистка загрязненных водных сред может осуществляться не только с использованием растений-макрофитов, но и высших наземных растений, выращиваемых в условиях гидропонной культуры, а также с помощью проростков растений – зачастую более простым и экономичным методом по сравнению с использованием для этих целей зрелых растений. Совместное выращивание растений, когда вода протекает через сообщество последовательно расположенных растений: полупогруженные растения (рогозы и тростники), плавающие в воде (ряски), погруженные в воду (рдест), позволяет достичь наибольшего эффекта очистки. Совместное использование водорослей и высших водных растений в одном биопруду нецелесообразно, так как водоросли и высшие водные растения являются конкурентами. Их применяют последовательно – в каскаде прудов. Вначале используют пруд с водорослями, затем – с растениями. Применяя последовательно водоросли и высшие водные растения, можно добиться очень высоких показателей в очистке сточных вод. В воде, предварительно очищенной водорослями, например хлореллой, высшие водные растения растут и развиваются значительно лучше.

При очистке загрязненных вод растения и водоросли используют в биопрудах и лагунах, на гидроботанических площадках, при создании искусственных болот, биоматов и биоплато, на полях орошения и фильтрации.

Биопруды и гидроботанические площадки в очистке загрязненных вод.

Биологические пруды (лагуны) – специально созданные неглубокие водоемы, где протекают естественные процессы самоочищения воды с участием населяющих их организмов. Пруды могут использоваться как самостоятельные системы очистки, так и для доочистки сточных вод, поступающих с очистных сооружений. Биопруды: подразделяются на анаэробные, аэробно-анаэробные (факультативно аэробные), аэробные; а так же на высоко- и низконагружаемые; проточные и контактные.

Анаэробные пруды. Анаэробные условия наблюдаются в присутствии избытка органических веществ и недостатка кислорода. Удаляется 80– 90% ХПК при времени пребывании воды в сооружении 40– 50 сут. После анаэробной очистки требуется дальнейшая очистка сточной воды в серии проточных аэробных прудов или, если принят контактный метод очистки, в том же пруду, но в аэробных условиях. В России анаэробные пруды практически не используются в силу невысоких среднегодовых температур и образования большого количества дурнопахнущих газов при функционировании таких прудов. Аэробно-анаэробные пруды. Имеют глубину более 1, 5– 2 м и аэрируются за счет естественных процессов. В зависимости от климатических условий, от содержания загрязнений в сточной воде и от требований к качеству очищенной воды нагрузка в аэробноанаэробных прудах колеблется в пределах 10– 300 кг БПК/га сут.

Аэробные пруды. В аэробных прудах с естественной аэрацией насыщение воды кислородом происходит вследствие естественной атмосферной аэрации и фотосинтеза. Такие пруды имеют небольшую глубину (0, 3– 1 м), хорошо освещаются и прогреваются солнечными лучами, в результате чего интенсивно развиваются планктонные водоросли и донные высшие растения. Очищаемая вода движется в них с очень малыми скоростями. Время пребывания воды в этих прудах колеблется от 7 до 60 суток. Достоинства прудов с естественной аэрацией – простота устройства и обслуживания, минимальные эксплуатационные затраты. Недостатки – невысокие скорости изъятия и биологического окисления органических загрязнений, для очистки требуются большие площади. Аэробные пруды с искусственной аэрацией из-за интенсификации в них биохимических процессов занимают в 10– 15 раз меньшую площадь, имеют значительно меньший объем и глубину до 4– 6 м. Требуемая степень очистки воды в них обычно достигается за 1– 3 суток. По сравнению с прудами с естественной аэрацией в биопрудах с искусственной аэрацией водоросли развиваются менее активно. Это снижает объем вторичной биомассы и загрязнение воды продуктами метаболизма водорослей. Однако строительство и эксплуатация искусственно аэрируемых прудов обходятся дороже, увеличиваются эксплуатационные затраты. ⁶

В контактных биопрудах с искусственной аэрацией очистка проводится в два этапа – аэрация и осаждение. В период аэрации сточные воды подаются в пруд, но не удаляются из него. При прекращении аэрации ил оседает и осветленная вода отводится из пруда. Чередование аэрации и осаждения осуществляется в автоматическом режиме управления. В контактных биопрудах с естественной аэрацией отстоенная сточная вода при необходимости разбавляется 3 -5 объемами чистой воды и напускается в мелкие непроточные пруды. Через 20 -30 суток вода спускается и вновь заполняется разбавленной сточной водой. Качество очистки в таких непроточных прудах выше, чем в проточных. В серийных прудах, устанавливаемых обычно на местности, имеющей уклон, неразбавленная сточная вода проходит последовательно через 4– 6 ступенчатый каскад прудов. Разведение рыбы в таких прудах бывает возможно после прохождения 3– 4 ступеней.

Общие недостатки биопрудов. Под биопруды необходимо отводить достаточно большие земельные площади. Так как режим работы биопрудов зависит от температуры и уровня освещенности, то это создает определенные трудности для управления и стабилизации очистки. При использовании биопрудов как самостоятельных систем очистки сточные воды не должны иметь начальное БПКп > 200 мг/л – для прудов с естественной аэрацией и > 500 мг/л – для прудов с искусственной аэрацией. При БПКп > 500 мг/л необходима предварительная очистка сточных вод. В пруды для доочистки направляют сточную воду после биологической или физико-химической очистки с БПКп < 25 мг/л – для прудов с естественной аэрацией и < 50 мг/л – для прудов с принудительной аэрацией. В ходе эксплуатации биологических прудов необходим тщательный контроль за состоянием грунтовых вод (их водностью, поступлением в грунтовые воды загрязняющих веществ и динамикой их распространения). В результате фотосинтеза в прудах образуется повышенное количество биомассы, пруд зарастает водорослями и растениями, возникают проблемы вторичного загрязнения воды, поэтому из пруда необходимо периодически убирать избыточную биомассу. Температура в биопрудах должна быть не ниже 6 ⁰С. В условиях России биопруды невозможно использовать в холодное время года, осенью они опорожняются или используются в зимнее время как накопители сточных вод.

3.2. Гидроботанические площадки и искусственные болота, биоплато и биоматы.

Гидроботанические площадки и искусственные болота, биоматы. Получили широкое распространение уже в середине XX в. Гидроботанические площадки и искусственные болота как правило создаются на водосборах на пути недостаточно очищенных сточных вод. Биоматы (и биоплато) – на водохранилищах и каналах. Вследствие обширности занимаемой территории, небольшой толщины наземного водного слоя в этих системах создаются условия для достаточно хорошего обмена верхнего слоя загрязненной воды с атмосферой и его аэрации. Три типа гидроботанических площадок: природные, искусственные с распределением загрязненной воды по поверхности площадки, искусственные с распределением воды в подповерхностной зоне площадки. Природные площадки могут включать постоянно обводненные облесненные участки или болота. Чаще всего они не требуют ухода, вода очищается сама, площадка функционирует без вмешательства человека. Необходимо лишь скосить траву в конце вегетации, обнести земляным валом берега и частично очистить ложе от ила.

При создании искусственных гидроботанических площадок могут использоваться свободно плавающие, подводные и надводные растения. Искусственные площадки с распределением загрязненной воды по поверхности – неглубокие искусственные болота, сооружаемые с небольшим уклоном в низовых участках с системой распределения и контроля уровня воды. Системы с распределением воды в подповерхностной зоне включают неглубокие площадки заполненные хорошо дренируемым материалом, например, гравием, на которых высаживают болотные растения. Вода в таких системах течет под поверхностью через корневую систему растений. Системы растений для очистки загрязненных сточных вод.

Рис.19. Системы растений для очистки загрязнённых сточных вод

Рис.20.Гидроботаническая система с горизонтальным током

Рис.21

В конструкции площадки, представленной выше на рисунке 21, предусмотрено создание двух горизонтов: верхнего – аэробного – для закрепления растений и развития сопутствующей аэробной микрофлоры и нижнего – анаэробного – для заселения сообществом анаэробных микроорганизмов. Нижний горизонт – это слой любого химически инертного материала (гальки, щебня, битого стекла), уложенный на водоупорный слой или специально подготовленную подложку. Поверх него насыпается песок и формируется верхний слой, т. е. укладывается грунт с корневищами растений. В анаэробном слое органические вещества разлагаются с образованием CO₂, CH₄, NH₃. Газы, поднимающиеся из нижнего слоя, перемешивают воду между слоями, при этом на дно оседают мелкие частицы. Оставшиеся загрязнения окисляются в верхнем аэробном слое до CO₂ и H₂O. На ботанической площадке такого типа очистка воды может идти круглый год (а не только в период вегетации растений) за счет деятельности бактерий. Созданная площадка не сразу достигает максимальной эффективности, ибо довольно медленно «созревает» (в течение нескольких сезонов).⁶

Преимущества гидроботанических систем: низкая стоимость монтажа; - возможность использования местных материалов; низкие эксплуатационные затраты; хорошая сочетаемость с ландшафтом; возможность служить местообитанием различных животных.

Недостатки гидроботанических площадок: требуют определенного ухода: осенью надводную зеленую массу необходимо скашивать, чтобы извлечь накопленные растениями биогенные элементы и загрязнения. Если уборку не проводить, надводная часть после окончания вегетации отмирает и засоряет площадку; желательно, чтобы химический состав очищаемых стоков и концентрация загрязняющих веществ в поступающей на очистку воде оставались почти неизменными; важно не допустить поступления на площадку залповых сбросов, так как они могут разрушить сформировавшийся биоценоз площадки.

Избыточную биомассу растений можно использовать в качестве топлива или удобрения. В тех случаях, когда скошенная фитомасса не содержит повышенных количеств тяжелых металлов или иных вредных веществ, ее можно скармливать животным после предварительного обеззараживания, например, силосованием. ⁶

3.3. Биоплато

На частных участках создаются Биоплато. Биоплато – природный фильтр для искусственного пруда, который очищает воду от механических примесей и вредных веществ, обогащает ее кислородом.⁸

Работа биоплато основана на способности высших водных растений очищать воду. Но если просто засадить растениями берега водоема, вода будет чистой только возле их корней, в так называемой зоне регенерации. Поэтому для биоплато рядом с основным прудом устраивают отдельный небольшой продолговатый водоем (иногда его делают в виде ручья), заполняют весь его объем щебнем и засаживают всю поверхность высшими водными растениями. Вода из основного водоема помпой насоса поднимается со дна, через соединительный ручей попадает в это болотце-биоплато, очищается, протекая через корни камыша, тростника и т.д., и через слив возвращается обратно.⁸

Вода должна циркулировать из пруда в болотце и обратно непрерывно, но с медленной скоростью, при которой органика, содержащаяся в ней в виде взвесей, будет оседать на дно плато, и растения смогут ею «питаться». Вода при этом очищается, становится прозрачной, не «цветет». На растениях поселяются полезные водоросли, грибы и бактерии, которые тоже активно будут активно участвовать в очищении основного водоема.⁸

Биоплато обустраивают только для искусственного водоема, дно которого изолировано, и вся «микроживность», которая находится в воде, не имеет доступа к питательному грунту. нереально. Прозрачной воды не будет, да и цвести может.

В пруду с естественной гидроизоляцией просто делают мелководье и высаживают туда болотные растения.

Биоплато обычно делают немного выше основного водоема, чтобы создать естественную циркуляцию через соединительную канавку. Его дно тоже обязательно должно быть изолировано, чтобы единственным источником питания для растений стала вода из основного пруда. ⁸

Рис.22. Циркуляция воды в биоплато с помощью насоса

Для гидроизоляции обычно используют геотекстиль, на который насыпают слой гранитного щебня: на нем отлично закрепятся и будут хорошо расти все нужные нам высшие водные растения с супермощной корневой системой, которая, как пылесос, будет всасывать всю органику из воды. Нельзя засыпать биоплато мелким гравием – он быстро заилится, кроме того, чем меньше фракция камня, тем меньше кислорода содержится в верхнем слое.

Площадь биоплато должна составлять около 35% от площади основного водоема (длина равняется стенке основного пруда), глубина от нескольких сантиметров до полуметра, но если планируются плавающие растения, то и до метра. Так например, если размер трехъярусного пруда 3.5*6.5 м, а глубина – от 0.7 до 1.8м, то размер биоплато должен составлять 1.5*3.8 м, глубина 0.5 м. ⁸

Для успешной работы системы необходимо, чтобы растения разрослись и укрепили корневую систему. Биоплато должно выглядеть как болото. Обычно биоплато начинает работать в полную силу через 3-5 лет: вода в пруду становится прозрачной.

Растения для биоплато: камыш, тростник, рогоз, аир, ирис болотный, вербейник, свисающие осоки и т.д.

Рис.23. Биоплато. Справа- зона пруда, слева- зона болотца. Вода перекачивается с помощью насоса из пруда в болотце и возвращается обратно, обогащаясь кислородом в процессе перетекания по ручью и очищаясь с помощью корней растений.

Рис.23. Биоплато.

3.4. Дождевые сады

В мире дождевые сады, как часть программы устойчивого развития города, создаются уже около 40 лет и являются ключевым элементом устойчивой системы городского дренажа. Так, в США это направление называется «Экологическое управление ливневыми стоками» (Ecological Stormwater Management – ESM), а также – «Low Impact Design – LID» (технология экологически щадящего подхода к дизайну территории, цель которого – управление городскими ливневыми стоками). В Великобритании аналогичная программа – «Устойчивые дренажные системы» (Sustainable Drainage Systems SuDS), в Австралии – «Water Sensitive Urban Design – WSUD».

Дождевые сады популярны в США, Великобритании, Австралии, Украине, а также в северных странах – Норвегии, Швеции, Финляндии. В странах северных регионов из-за низких зимних температур и больших объёмов снега организация дождевых садов требует корректировки под местные погодные условия и аборигенные виды растений.

Управление ливневыми стоками рассматривается как основная проблема в национальном масштабе многих стран, в связи с загрязнением ливневых вод, наводнениями и другими воздействиями оказывается серьёзное воздействие на качество воды, общественное здравоохранение и экономику. В долгосрочной перспективе необходимо вкладывать средства в устойчивую инфраструктуру, обновить городские системы и провести посадки зелёных насаждений, что сделает районы более удобными для жизни. Инвестиции в дождевые сады имеют долгосрочный характер. ⁹

Дождевой сад как элемент зелёной инфраструктуры представляет собой пониженную область в ландшафте, где собирается дождевая вода с крыши, c дороги или улицы, и позволяет воде впитаться в землю. С использованием посадок трав и цветущих многолетников, дождевые сады могут стать экономически эффективным и красивым способом уменьшения поверхностных стоков в жилых кварталах. Дождевые сады должы быть расположены рядом с источником поверхностного стока, для того чтобы задержать воду перед непосредственным попаданием в канализационную систему, отфильтровать загрязняющие вещества из стоков, и кроме того создать убежище и дать пищу насекомым, певчим птицам и другим диким животным. ⁹

Структура дождевого сада:

• Приточные конструкции направляют ливневые стоки в дождевой сад. Приток может быть из водостоков, либо по траншее с газонным или каменным покрытием, либо любым другим способом, который может направить сток в дождевой сад, не вызывая эрозии.

• Зона водоёма позволяет собирать ливневые стоки на поверхности дождевого сада. Путём выемки грунта с поверхности создают зону водоёма и формируют земляную насыпь по нижнему краю водоёма.

• Тонкий слой мульчи лежит на поверхности дождевого сада. Мульча отфильтровывает многие загрязняющие вещества из ливневых стоков и защищает нижележащие слои почвы от размывания.

• Дождевой сад засаживают растениями местных видов, которые допускают периодическое затопление. Местные виды растений нуждаются в меньшем уходе, удаляют часть воды и загрязняющих веществ, более приспособлены к климатическим условиям, обеспечивают среду обитания и пищу для насекомых и птиц, а также улучшают эстетический вид сада.

• В дождевых садах загрязнённые ливневые воды фильтруются сквозь почвенные слои, частично накапливаются в почвенных порах и постепенно проходят в грунтовые воды.

Почвы с естественным высоким уровнем инфильтрации являются предпочтительными, поскольку они могут быстро впитывать большой объём ливневых вод. Кроме того, гравийную подушку в основании дождевых садов, полезно делать при наличии почвы с низким коэффициентом инфильтрации. Слой гравия увеличивает объём для хранения ливневых вод и предотвращает заболачивание почв.⁹

Дополнительно на почвах с низким коэффициентом инфильтрации используют перфорированную дренажную трубу для вывода избытка воды из сада, что является наиболее надёжным способом предотвращения переполнения водоёма и обратного оттока воды.

Система перелива позволяет воде уйти из дождевого сада, когда водоём наполняется. Система перелива может быть выполнена в виде отделанного камнем уступа в берме, либо покрытой газоном траншеи или иным способом, что позволит ливневым водам покинуть водоём, не вызывая эрозии. Если дамба построена из довольно плотного материала, и эрозия ей не угрожает, то можно направить поток воды через край без дополнительных приспособлений.

Рис.24. Структура дождевого сада

Рис.25. Примеры дождевых садов

3.5. Моноцветники из растений, очищающих воду, почву и/или атмосферу.

Использование растений гиппер-аккумуляторов в моноцветниках на больших площадях.

Это не только эффективно с точки зрения экологии , но и эстетично. Поэтому сейчас фиторемедиация диктует новую моду на моносады с кормовыми растениями, когда огромные площади засеиваются с/х культурами (пшеница, рожь, подсолнечник, кукуруза, табак, гречиха) , злаками (овсяница овечья, мятлик, овсяница красная, пырей ползучий) и водными быстро разрастающимися растениями (водяной гиацинт, ряска, элодея канадская, стрелолист).

Рис.26. Моноцветники из подсолнечника и рапса

4.Набережная оз.Кабан - пример фиторемедиации в России

Осуществление проекта озера Кабан в Казани решило проблему сбора дождевой воды. В города вода во время паводков сначала бежала со всех непроницаемых асфальтовых тротуаров на дороги, а по ним – вместе со всей попутной грязью – в природные водоёмы – реки и озёра. Один из них – Нижний Кабан. Озеро было оборудовано 12 выпусками воды, и всего лишь один из них был оснащён очистным сооружением. Почему один? Да потому, что, решая таким образом проблему очистки воды, люди столкнулись с другой неприятностью – вместо благоустроенной набережной получили большую санитарную зону, ограждённую забором. Установка систем очистки на всех выпусках воды лишит горожан всей береговой территории.

Китайская компания Туренскейп предложила новый метод сбора, очистки и повторного использования дождевой воды. В его основе лежит принцип доминирования естественных процессов в городе. Эту технологию называют «Зелёная губка». Сегодня она с успехом используется в Европе и Америке. Этот метод основан на фиторемедиации.

На набережной существует естественная система сбора, очистки и сброса воды, позволяющая снизить загрязнение озера стоками с автомобильных дорог и земельных участков, а также улучшить качество воды.

Гидросистема озера (рис.27) состоит из биологической системы очистки воды (рис.28), аэрационных прудов, где растения насыщаются кислородом, дождевых садов, водно-болотных угодьев (прудов отстойников), и плавучих островов. Сначала загрязнённая вода попадает в заболоченные низины, а из них на второй уровень очистки- в «дождевые сады». Низовые территории формируют дополнительный буфер для очистки стоков, поступающих в озеро с его берегов и помогают улучшить качество воды в озёрной системе.

Предполагается, что в будущем вода будет направляться в ландшафтные комплексы дождевых садов, установленные по всему городу, включая дворы. Там же будет проходить её биологическая очистка. Самой высокой способностью очистки обладают традиционные для нашей местности рогоз, камыш, ситник, майник и другие. Некоторые из них способны даже на переработку нефтяных загрязнений.¹⁰

Рис.27. Гидросистема озера Кабан

Рис.28. Компоненты системы очистки воды в озере

Рис.29. Схема системы очистки воды

Рис.30. Фото с объекта

Рис.31. Фото с объекта

Вывод

Фиторемедиация – перспективный способ очистки водоёмов, сточных вод, почв и атмосферы от тяжёлых металлов, токсикантов, вредных химических и радиационных веществ. В результате изучения было выявлено, что способ имеет свои преимущества и недостатки.

Основными недостатками фиторемедиации являются:

1)Низкие скорости очистки. Так, для очистки почв способом фитоэкстракции может потребоваться 10 лет и более. Даже самые эффективные растения-гипераккумуляторы очищают загрязненный участок лишь за 10– 20 лет непрерывного культивирования. Очистка загрязненных участков ризосферной биоремедиацией может потребовать от 2 до 10 лет. Поэтому фиторемедиация не подходит для загрязненных участков, которые представляют непосредственный риск здоровью населения или угрозу окружающей среде и требуют немедленной очистки

2) Большинство растений, используемых для фиторемедиации, распространяют свои корни на глубину от 30 см– до нескольких метров, поэтому загрязнения, находящиеся достаточно глубоко в почве, становятся недоступны растениям.

3) Растения хорошо растут только при благоприятных почвенных условиях (текстура почв, водоудерживающая способность, pH, хорошая аэрация и др. ), и должны иметь доступ к достаточному количеству воды для поддержания роста и метаболизма, поэтому может потребоваться смена экологических условий, например ирригация на засушливых местах.

Основные преимущества методов фиторемедиации:

1) Низкие затраты по сравнению с другими методами;

2) Экологическая совместимость растений с природой , то есть благоприятное воздействие на ландшафты и их эстетическое восприятие. Целостность природных биотопов при этом не нарушается. Они могут использоваться для реабилитации территорий, измененных индустриальной деятельностью;

3) Совместное использование микробиологической ремедиации и фиторемедиации позволяет одновременно и очистить почву и осуществить рекультивацию загрязненного участка

Список использованных источников

Wikipedia [Электронный ресурс] // Фиторемедиация. Режим доступа: https://ru.wikipedia.org, свободный

Мартьянычев А.В. Фитоэкстракция как способ очистки почв сельскохозяйственного назначения, научная статья.

Бельков В. М. Методы, технологии и концепции утилизации углеродосодержащих промышленных и твердых // Электронный журнал энергосервисной компании «Экологические системы» - Всероссийский научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта (ВНИИЖТ). - №11. - 2007.

Г. Г. Хайруллина, Э. М. Зайнутдинова. Очистка почв от нефтепродуктов при помощи растений и ассоциированных с ними микроорганизмами // Актуальные проблемы науки и техники, сборник трудов 4 международной научно - практической конференции молодых ученых. Уфа, издательство «Нефтегазовое дело» 2012. С. 107.

В.Душенков, И.Раскин. Фиторемедиация: зелёная революция в экологии. // Ратгерский университет (Нью-Джерси, США), научная статья.

Онлайн-презентации. [Электронный ресурс] // Фиторемедиация. Режим доступа: http://present5.com, свободный

Новостной портал. [Электронный ресурс] / Водяной гиацинт, как средство очистки воды. Режим доступа: http://www.orbitnetwork.ru, свободный

Общественный форум. [Электронный ресурс]// Обустройство природного фильтра для дачного пруда. Режим доступа: https://www.forumhouse.ru, свободный

Интернет-журнал. [Электронный ресурс] // Дождевые сады как элемент системы устойчивого развития города, научная статья, Светлана Михайлова, Марианна Бродач. Режим доступа: http://zvt.abok.ru, свободный

Новостной портал. [Электронный ресурс] // Озеро Кабан. Возвращение сокровищ. Режим доступа: http://protatarstan.ru, свободный

Код для цитирования: Скопировать