Способ гидроботанической очистки загрязненных водных сред в климатических условиях средних широт

Изобретение относится к области гидроботанической очистки промышленных или бытовых сточных вод с использованием плавающего растения Эйхорния в климатических условиях средних широт. Способ включает использование Эйхорнии в качестве плавающей в питательном растворе загрузки гидроботанической зоны. В качестве питательного раствора гидроботанической зоны используют сточные воды при концентрации начального содержания примесей загрязняющих веществ: аммонийного азота не более 100 мг/л, фосфатов не более 50 мг/л, железа не более 25 мг/л, ПАВ не более 15 мг/л, сульфатов не более 160 мг/л, нефтепродуктов не более 60 мг/л, фенолов не более 350 мг/л, при БПК не более 1000 мг О₂/л и ХПК не более 2200 мг О₂/л, с рН в пределах 5-9. Вегетацию Эйхорнии в гидроботанической зоне осуществляют при температуре окружающего воздуха и воды не менее 19°С с естественным и/или искусственным освещением. Биодеструкцию загрязняющих веществ проводят в водных объемах гидроботанической зоны глубиной не более 0,75 м, а при достижении предельно допустимой концентрации загрязняющих веществ проводят взмучивание иловых отложений в пределах досягаемости корней Эйхорнии без выпуска воды. 8 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к области очистки хозбытовых, коммунальных и промышленных сточных вод с использованием плавающего растения Eichornia crassipes (Water hyacinth) - представителя высшей водной растительности в качестве загрузки искусственных или естественных гидроботанических участков в климатических условиях средних широт.

Традиционно применяемые способы не всегда пригодны для природных, декоративных и купальных водоемов из-за значительных затрат, недостаточного приближения сточных вод к природному качеству и тем самым неполного снижения вредного воздействия этих вод на окружающую среду, что ведет к ухудшению существующего микробиоценоза водоема и берегов.

Недостатками известных способов является то, что в них не рассматривается приспосабливание (адаптация) к окружающей рабочей среде, а также сохранение растений в холодный (особенно осенне-зимний) период в условиях средних широт, что приводит к полной потере жизнеспособности плавающих растений.

Известен метод очистки воды, предотвращения загрязнения водных объектов стоками, включающий высаживание растений на водоотводных объектах (см. RU 2137884, Е 03 F 1/00, 1999 г.).

Известен метод очистки загрязненной воды, включающий помещение решеток с растениями в объем вод для ее очистки (см. RU 2155721, С 02 F 3/30, 2000 г.).

В числе таких растений, имеющих разновыраженную способность переработки загрязняющих примесей воды, могут быть названы Ряска, Водяной шпинат, Вольфия, Многокоренник, Рогоз, Камыш и другие. Наиболее эффективны в борьбе с загрязнениями водоемов растения с быстроразвивающейся корневой и вегетативной массой, в частности подгруппа неукореняющихся, плавающих на поверхности растений. Эйхорния является представителем этой группы. По многим сравнительным данным вегетационная продуктивность Эйхорнии более высокая, чем у других известных, и практически все водные растения существенно уступают в этом Эйхорнии.

Наиболее близким аналогом заявляемому техническому решению является способ выращивания Эйхорнии при гидроботанической доочистке загрязненных вод, включающий подготовку для применения Эйхорнии в качестве загрузки питательного раствора (RU №2193532, С 02 F 3/32, 2002 г.).

Задачей патентуемого изобретения является создание и поддержание условий для обеспечения возможностей ведения очистки загрязненных вод гидроботаническим способом с использованием свойств и способностей плавающего растения Эйхорния в условиях средних широт.

Технический результат реализации заявляемого способа заключается в усилении процесса деструкции органических и неокисленных минеральных соединений, содержащихся в загрязненных водах, например, сероводорода, аммиака, нитритов, флокулянтов и т.п. микроорганизмами за счет создания корневой системой растения благоприятных сезонных условий существования микробиоценозов.

При этом устанавливается цикл, в котором извлеченные вещества большей частью поглощаются и преобразуются в устойчивые растительные клетки. Интенсивность размножения и рост растений увеличивают потребность в питании для них, и, следовательно, повышается потребление растениями различных примесей из водных сред. Для процесса вегетации Эйхорнии и, следовательно, для ведения очистки вод для растений требуются условия, благоприятные как для адаптации растений, так и их жизнедеятельности в течение всего периода культивирования.

Большое влияние на полноту и степень доочистки оказывает также и величина контакта растений с водой. По этой причине культивирование Эйхорнии для биодеструкции загрязняющих веществ оптимально проводить при максимальном контакте растений в объемах гидроботанических зон с обеспечением оптимальных удельных количеств растений.

Основные требования, которые необходимо обеспечить:

- температура воды не менее 19°С, с возможным, но не желательным краткосрочным понижением до +16°С, наилучшая температура от 22°С;

- температура воздуха в пределах от +18°С; низкие температуры вызывают временное оцепенение микроорганизмов, этим и объясняется их некоторая (до 1 суток) устойчивость к краткосрочным понижениям температуры, для большинства бактерий, участвующих в процессе переработки, оптимальной является температура 22-27°С, зимой возможно несколько ниже.

- верхний предел температур +40°С; температура выше +40°С может вызывать необратимые изменения в коллоидном состоянии плазмы (изменения структуры ферментов и нарушение биоактивности, т.е. начало температурного интервала возможности сворачивания крахмалов и белков).

- содержание питательных для растений веществ в объеме вод;

- достаточная степень освещенности (водный гиацинт очень светолюбив), при недостатке естественного освещения применимы специальные лампы, где достаточный уровень освещенности по спектру и интенсивности может быть обеспечен применением, например, ламп преимущественно синего и красного участков спектра и мощностью не менее 150 Вт/м², светильников соответствующих модификаций для теплиц, например ЖСП36-600-002У5.

Указанный технический результат достигается способом гидроботанической очистки загрязненных водных сред в климатических условиях средних широт, включающим применение растений Эйхорниия в качестве плавающей в питательном растворе загрузки гидроботанической зоны, использование в качестве питательного раствора гидроботанических зон сточных, или хозбытовых, или промышленных вод, вегетацию Эйхорнии в гидроботанической зоне при температуре окружающего воздуха и воды не менее 19°С с естественным и/или искусственным освещением и биодеструкцию загрязняющих веществ в гидроботанической зоне за счет того, что вегетацию Эйхорнии и биодеструкцию загрязняющих веществ проводят в водных объемах гидроботанической зоны глубиной не более 0,75 м, при концентрации начального содержания загрязняющих примесей и загрязняющих веществ - аммонийного азота не более 120 мг/л, фосфатов не более 50 мг/л, железа не более 25 мг/л, ПАВ не более 15 мг/л, сульфатов не более 160 мг/л, нефтепродуктов не более 60 мг/л, фенолов не более 350 мг/л, при биологической потребности в кислороде водной среды не более 1000 мг O₂/л и химической потребности в кислороде водной среды не более 2200 мг O₂/л, с рН в пределах 5-9, а при достижении предельно допустимой концентрации загрязняющих веществ в воде после гидроботанической зоны проводят взмучивание иловых отложений без выпуска воды в пределах досягаемости корней Эйхорнии без выпуска воды.

А также за счет того, что глубину гидроботанических зон водных объемов обеспечивают плавающими или стационарными ограничителями глубины на участках культивирования растений.

А также за счет того, что оптимальная плотность растений Эйхорнии в гидроботанической зоне доводят и поддерживают около 60 соцветий на 1 м².

А также за счет того, что поверхность гидроботанической зоны для водного потока формируют в размере не менее 20 м² на каждые 1000 м³ вод в сутки.

А также за счет того, что поверхность гидроботанической зоны для непроточного водоема формируют в виде рассредоточенных участков с суммарной площадью не менее 20 м² на каждые 100 м² водной с обеспечением оптимальной плотности растений.

А также за счет того, что вегетацию Эйхорнии в гидроботанической зоне регулируют периодическим перераспределением или снятием вегетационных излишков растения.

А также за счет того, что вегетацию Эйхорнии в гидроботанической зоне регулируют ограничением освещенности участков затенением светонепроницаемыми материалами.

А также за счет того, что вегетацию растения Эйхорния в гидроботанической зоне ограничивают снижением температуры воздуха.

А также за счет того, что вегетацию растения Эйхорния в гидроботанической зоне прекращают понижением температуры воздуха и/или воды ниже +8°С.

А также за счет того, что вегетацию Эйхорнии в гидроботанической зоне прекращают сбором растений.

Патентуемый способ осуществляется следующим образом.

В теплое время года гидроботанические зоны с применением Эйхорнии могут быть устроены под открытым небом как пруды, плато, ботанические площадки, фильтрующие участки водной поверхности и т.п. Применение включает централизованное сохранение растений в холодный период года и подготовку посадочного материала. Они могут быть оборудованы и на малых реках, прудах городских, декоративных или хозбытового назначения, водоемах санаториев, пансионатов, детских лагерей, парков. В гидроботанические зоны размещают Эйхорнию, надводная часть которой вдобавок еще и декоративна, а подводная часть представляет собой нитевидные густо опушенные корни, являющиеся мощным биофильтром.

Вегетационная биомасса остается внутри гидроботанической зоны и не поступает в объем очищенных вод. Заиливание водоема практически невозможно, т.к. растение усваивает большую часть взвешенных веществ летом, а зимой прекращает жизнедеятельность без разложения и образования гнилостных соединений. Начальное высаживание выполняют подготовленным централизованно посадочным материалом в количествах от 10 на 1 м² водной поверхности.

Для того чтобы процесс вегетации Эйхорнии и, следовательно, очистки проходил эффективно, необходимо создать для растений благоприятные условия жизнедеятельности, т.е. для обеспечения как адаптации растений, так и поддержания их жизнедеятельности и оптимизации условий для ведения эффективной очистки загрязненных вод в течение всего года, в том числе, возможно, и в холодные периоды.

В связи с возможными изменениями внешних факторов или погодных условий для открытых водоемов целесообразно оснащение плавающими или стационарными укрывными конструкциями. Они предохраняют от колебаний внешних условий в случаях, характерных для климатических условий средних широт, и, как следствие, приводят к повышению показателей вегетации.

Эйхорния, теплолюбивое и светолюбивое растение. Жизнедеятельность растения протекает постоянно, т.к. корневище, стебли и листья растений могут функционировать при определенных условиях круглый год, а следовательно, организация круглогодичного продуцирования вегетационной массы растения реальна.

При применении укрывных конструкций сезонного технического использования сроки культивирования Эйхорнии в водоемах практически могут быть по сентябрь, а при температуре вод выше 22°С - с февраля по ноябрь.

В холодные периоды года могут быть оборудованы тепличные хозяйства, водные участки зимних садов и т.п.

Очистка сточных вод, в значительной степени, идет в результате жизнедеятельности и биоценоза Эйхорнии и во многом зависит от количества микроорганизмов, участвующих в процессе, и условий их обитания и жизнедеятельности. Для адаптации растений и дальнейшей их нормальной вегетации в качестве питательного раствора целесообразно использовать загрязненные, например сточные или оборотные воды хозбытовых, коммунальных и некоторых промышленных водоемов с начальным содержанием загрязняющих примесей: аммонийного азота не более 120 мг/л, фосфатов не более 50 мг/л, железа не более 25 мг/л, ПАВ не более 15 мг/л, сульфатов не более 160 мг/л, нефтепродуктов не более 60 мг/л, фенолов не более 350 мг/л, взвешенных веществ не более 1800 мг/л, при биологической потребности в кислороде водной среды (БПК) не более 1000 мг О₂/л и химической потребности в кислороде водной среды (ХПК) не более 2200 мг O₂/л, с рН в пределах 5-9.

Это допустимые начальные значения концентраций основных загрязняющих примесей - величины для адаптации растений в период до 5 суток.

Более высокие концентрации загрязняющих веществ в водной среде могут подавлять рост Эйхорнии вплоть до прекращения жизнедеятельности растений.

Для случаев превышения допускаемых исходных концентраций веществ определены возможные меры: методики и технические средства для оптимизации культивирования. Ведется активный контроль адаптации (самоадаптации) по схеме технологического и аналитического сопровождения. Проводятся специальные поддержки растений биопротекторами и биостимуляторами, соответствующие корректировки в методике применения.

Интенсивность фотосинтеза Эйхорнии одна из самых высоких среди растений и зависит от нескольких показателей, таких как температура водной среды и воздуха, освещенность, долгота дня, содержания элементов и соединений (примесей в воде). По этой причине вегетацию Эйхорнии в гидроботанической зоне проводят при температуре окружающего воздуха и воды не менее 19°С и с естественным и/или искусственным освещением. В связи с возможными изменениями погодных условий для обеспечения такого режима в открытых водоемах целесообразно, а в некоторых случаях и необходимо оснащение гидроботанической зоны искусственными укрывными конструкциями, где достаточный уровень освещенности по спектру и интенсивности может быть обеспечен применением, например, ламп преимущественно зелено-красного спектра и мощностью не менее 150 Вт/м², например светильников для теплиц ЖСП36-600-002У5, или их модификациями.

Динамика биодеструкции загрязняющих веществ в гидроботанической зоне веществ и их извлечение из питательного раствора определяется активностью вегетации растений и окислительно-восстановительными процессами в области корневой системы, где роль окислителя выполняет кислород, вырабатываемый растением при фотосинтезе и необходимый для действия аэробных бактерий. Большое влияние на полноту и степень доочистки оказывает также и величина слоя контакта растений с водой. По этой причине вегетацию Эйхорнии и биодеструкцию загрязняющих веществ проводят при максимальном контакте растений с проходящей водой в объемах гидроботанической зоны, в частности, в проточных условиях с глубинами не более 0,75 м, при необходимости с плавающими или стационарными ограничителями глубины зоны культивирования растений, а для непроточных условий водоема поверхность гидроботанической зоны формируют в виде рассредоточенных зоны с суммарной площадью поверхности не менее 20 м² на каждые 100 м² водной поверхности, с обеспечением удельного количества растений при оптимальной плотности.

Интенсивность размножения и рост растений увеличивают потребность в питании для них, и, следовательно, повышается потребление различных примесей из водных сред. Требуемое содержание питательных для растения веществ в среде выращивания (в загрязненной воде) контролируют анализами. В потоках с большим показателем турбулентности ход очищения поверхностных вод происходит быстрее. Турбулентность потока вызывает распад бактериальных зоогелейных скоплений на мельчайшие колонии, что и приводит к быстрому увеличению и обновлению поверхности раздела и контакта между микроорганизмами и окружающей их средой, то есть происходит лучший контакт с загрязнениями и растворенным в воде кислородом. В результате увеличивается скорость поступления питания и кислорода к микроорганизмам, а следовательно, и очистка.

Естественное размножение растения в условиях средних широт исключительно вегетативное. При практических применениях в условиях средних широт, в зависимости от внешних условий количество растений каждые 14 дней увеличивается в среднем до 4-х раз.

Колонизация в условиях средних широт естественным путем идет воспроизводством дочерних отростков и небольших растений с увеличением уровня плотности. Число растений и их размер увеличиваются в течение сезона культивирования до максимально возможного по условиям среды и доступности зоны разрастания. При избытке растворенного в воде куртина этой колонии может разрастаться до соединения с другой или до достижения нижнего предела выживаемости по объему питания. Учитывая это, для наилучших показателей принимают начальное рассаживание от 10 растений на 1 м² водной поверхности и затем плотность растений Эйхорнии в гидроботанических зонах доводят и поддерживают оптимально 60-75 соцветий на 1 м² водной поверхности.

Для достижения достаточного уровня извлечения растворенных веществ из водной среды масса выезженных или выращенных растений должна соответствовать поглощаемому количеству примесей. Это условие достигается тем, что поверхность гидроботанической зоны (при ширине до 5 м) для водного потока формируют в размере не менее 20 м² на каждые 1000 м³ в сутки, а для непроточного водоема в виде рассредоточенных участков не менее 20 м² на каждые 100 м² водной поверхности с обеспечением удельного количества растений.

Возможно создание фильтрующих полос, блокирующих распространение взмучивания при очистке иловых отложений водоемов без выпуска из них вод или заполнение котлованов или прошедших механическую очистку чаш водоемов. В этом случае подающаяся вода может быть из поверхностного стока и затраты выполнения работ, естественно, ниже. Применением такого способа заполнения водоемов обеспечивается исключение попадания с водами бактериологических и токсикологических загрязнений, так как при обеспечении достаточной мощности слоя растений создается биологический барьер патогенной микрофлоре, возможной в поступающих водных стоках, и возможности загрязнения подземных и поверхностных вод и тем самым проникновению ее в водоемы, подземные воды и фильтрации в грунт, что снижает экологические риски.

В случае оставления на водной поверхности открытого водоема вегетационной массы Эйхорнии после сезона вегетации при отрицательных температурах она вмерзает в лед, а при сезонном потеплении и таянии льда напитывается водой и оседает на дно. Осевший объем практически полностью подвергается анаэробному окислению. Этот объем и масса растений, оседающей на дно, гораздо меньше биомассы при завершении сезона культивирования. Так, например, с уплотнением, адекватным давлению на глубине 1,5 м, более чем 4-кратное уменьшение объема оседающей биомассы. Этот объем быстро приобретает иловую структуру. За счет обезвоживания происходит практически 50-кратное уменьшение веса вегетационной массы растения, выросшей на участке культивирования к завершению сезона вегетации в открытых водоемах.

Критерием эффективности метода является качество доочищенных вод по санитарно-гигиеническим и биологическим показателям и его эпидемическая безопасность и безвредность.

Культивирование Эйхорнии в условиях средних широт не может представлять экологической опасности окружающей среде, в основном, по естественным, характерным для них, климатическим факторам, а так- же тем, что вегетация контролируема и ее возможно регулировать.

Достигнуты показатели по взвешенным веществам < 4,0 мг/л; нефтепродуктам < 0,04 мг/л; БПК<5,0 мг О₂/л; ионам металлов - показатели ПДК или за порогом чувствительности приборов. По наблюдениям уже после адаптации отмечалось снижение перманганатной окисляемости на 70-80% и выравнивание рН. Уменьшение количества кишечной палочки и общего числа бактерий фиксировались до 97% при фильтрации сточных и бытовых вод через биофильтр Эйхорнии. Общая численность сапрофитных бактерий во всех пробах снижена. Снижение ОМЧ (общее микробное число) для проб составляет до 98%, а численность ОКБ (общие колиформные бактерии) в процессе гидроботанической очистки снижена на 60%, а в некоторых пробах на 80%, обусловленные присутствием Эйхорнии.

1. Способ гидроботанической очистки загрязненных водных сред в климатических условиях средних широт, включающий применение Эйхорнии в качестве плавающей в питательном растворе загрузки гидроботанической зоны, использование в качестве питательного раствора гидроботанической зоны сточных, или хозбытовых, или промышленных вод, вегетацию Эйхорнии в гидроботанической зоне при температуре окружающего воздуха и воды не менее 19°С с естественным и/или искусственным освещением и биодеструкцию загрязняющих веществ в гидроботанической зоне, отличающийся тем, что вегетацию Эйхорнии и биодеструкцию загрязняющих веществ проводят в водных объемах гидроботанической зоны глубиной не более 0,75 м, при концентрации начального содержания примесей загрязняющих веществ - аммонийного азота не более 100 мг/л, фосфатов не более 50 мг/л, железа не более 25 мг/л, ПАВ не более 15 мг/л, сульфатов не более 160 мг/л, нефтепродуктов не более 60 мг/л, фенолов не более 350 мг/л, при биологической потребности в кислороде водной среды не более 1000 мг О₂/л и химической потребности в кислороде водной среды не более 2200 мг O₂/л, с рН в пределах 5-9, при достижении предельно допустимой концентрации загрязняющих веществ в воде после гидроботанической зоны проводят взмучивание иловых отложений в пределах досягаемости корней Эйхорнии без выпуска воды.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что глубину водных объемов гидроботанической зоны обеспечивают плавающими или стационарными ограничителями глубины зоны культивирования растений.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что оптимальную плотность растений Эйхорнии в гидроботанической зоне доводят и поддерживают около 60 соцветий на 1 м².

4. Способ по одному из пп.1 и 2, отличающийся тем, что поверхность гидроботанической зоны для водного потока формируют в размере не менее 20 м² на каждые 1000 м³ в сутки, а для непроточного водоема формируют в виде рассредоточенных участков с суммарным размером не менее 20 м² на каждые 100 м² водной поверхности с обеспечением оптимальной плотности растений.

5. Способ по одному из пп.1 и 2, отличающийся тем, что вегетацию Эйхорнии в гидроботанической зоне регулируют периодическим перераспределением или снятием вегетационных излишков растения.

6. Способ по одному из пп.1 и 2, отличающийся тем, что вегетацию Эйхорнии в гидроботанической зоне регулируют ограничением освещенности участков затенением светонепроницаемыми материалами.

7. Способ по одному из пп.1 и 2, отличающийся тем, что вегетацию растения Эйхорния в гидроботанической зоне ограничивают снижением температуры воздуха.

8. Способ по одному из пп.1 и 2, отличающийся тем, что вегетацию растения Эйхорния в гидроботанической зоне прекращают понижением температуры воздуха и/или воды ниже +8°С.

9. Способ по одному из пп.1 и 2, отличающийся тем, что вегетацию Эйхорнии в гидроботанической зоне прекращают сбором растений.