Способ гидроботанической очистки водных сред, загрязненных мышьяксодержащими соединениями
Владельцы патента RU 2700474:
Федеральное государственное бюджетное учреждение "33 Центральный научно-исследовательский испытательный институт" Министерства обороны Российской Федерации (RU)
Изобретение относится к биотехнологии и может быть использовано для очистки водных сред в закрытых водоемах, загрязненных мышьяксодержащими соединениями, с использованием плавающих растений - эйхорнии. Способ гидроботанической очистки водных сред, загрязненных мышьяксодержащими соединениями, предусматривает размещение эйхорнии в загрязненной воде мышьяксодержащими соединениями с добавлением растворимых солей гуминовой кислоты в заданных концентрациях при поддержании температуры окружающего воздуха не менее 16°С, а температуры загрязненной воды - в пределах от 15°С до 36°С. Способ осуществляют при биологическом потреблении кислорода не более 1000 мг О2/л, химическом потреблении кислорода не более 2000 мг О2/л и дополнительном искусственном освещении лампами зелено-красного спектра. Изобретение позволяет снизить количество мышьяксодержащих соединений в водоемах. 1 ил., 2 табл., 2 пр.
Изобретение относится к области гидроботанической очистки водных сред в закрытых водоемах, загрязненных мышьяксодержащими соединениями, с использованием плавающих растений, например представителя высшей водной растительности - эйхорнии.
Известен способ очистки воды, включающий выращивание водных растений в питательном растворе и очистку загрязненной воды с помощью выращенных растений (Патент №2155721, C02F 3/30, 2000, RU).
Недостатком известного метода является то, что он предназначен только для очистки вод от загрязнений, представленных катионами тяжелых металлов.
Известен способ гидроботанической очистки загрязненных водных сред с использованием плавающего растения эйхорния (Патент №2288894, C02F 3/32, 2005, RU).
Недостатком этого способа является то, что он не предусматривает очистку вод от мышьяксодержащих соединений.
Известен способ выращивания эйхорнии при гидроботанической очистке загрязненных вод, включающий создание условий для адаптации растений, поддержание их жизнедеятельности в течение всего года и оптимизацию условий для эффективной очистки загрязненных вод (Патент №2193532, C02F 3/00, 2002, RU).
Недостатком способа является то, что не предусмотрена очистка вод, загрязненных мышьяксодержащими соединениями.
Технической задачей настоящего изобретения является расширение области применения высшего водного растения эйхорнии по очистке водных сред, загрязненных мышьяксодержащими соединениями, и увеличение скорости их биологического поглощения.
Указанная задача достигается тем, что в способе гидроботанической очистки водных сред, загрязненных мышьяксодержащими соединениями, включающем размещение плавающего растения в питательном растворе при поддержании температуры окружающего воздуха не менее 16°С, а температуры питательного раствора - в пределах от 15°С до 36°С; при биологическом потреблении кислорода не более 1000 мг О2/л и химическом потреблении кислорода не более 2000 мг О2/л; при дополнительном искусственном освещении лампами зелено-красного спектра мощностью не менее 300 Вт/м2 не более 14 ч в сутки с 5 до 19 ч, в случае недостатка освещенности; при поддержании температурного режима в холодный период путем укрывания растений светопроницаемой пленкой, увеличивающей красную составляющую спектра; при проведении воздухообмена в пространстве под пленкой в периодическом режиме отсутствия сквозняка; при использовании в качестве светопроницаемой пленки материала с полупроницаемыми мембранами; при дополнительном подогревании воздуха под пленкой тепловентиляторами; при поддержании температурного режима воздуха под пленкой путем создания увлажняющего слоя в виде искусственного орошения или аэрозольного «одеяла»; при дополнительном подогреве или охлаждении загрязненной воды; при этом в качестве питательного раствора используют, загрязненную водную среду с содержанием мышьяксодержащих соединений в концентрациях до 20,0 мг/дм3 и со значением рН от 4 до 9; при этом в питательный раствор добавляют растворимые соли гуминовой кислоты в концентрациях от 1 до 2 г/м3.
При разработке способа были проведены следующие теоретические и экспериментальные исследования.
В водоем, загрязненный мышьяксодержащими соединениями, размещали эйхорнию - плавающее водное растение, надводная часть которого состоит из укороченного стебля с розеткой овальных листьев, а подводная часть представляет сильно развитую мочку корней, опушенных ресничками, обладающими эффективными фильтрующими свойствами и способностью поглощать биогенные элементы. Технология основана на чрезвычайно высокой способности растения к размножению и интенсивному росту его вегетационной массы при благоприятных условиях. В корневой системе под воздействием кислорода, выделяемого аэробными бактериями, протекают биохимические процессы, позволяющие превращать высокомолекулярные и низкомолекулярные соединения, в том числе мышьяксодержащие загрязнители доступные для растений формы. Они усваиваются растением как питательные вещества через корневую систему. Нами подтверждено, что эйхорния способна в значительных количествах накапливать мышьяк, при этом установлено, что концентрации мышьяксодержащих соединений в растительной ткани этого растения на несколько порядков выше их содержания в воде.
Экспериментально было установлено, что нормальная вегетация эйхорнии сохраняется при использовании водной среды, загрязненной мышьяксодержащими соединениями в концентрациях до 20,0 мг/дм3 со значением рН от 4 до 9, и с добавкой растворимых солей гуминовой кислоты до концентраций от 1 до 2 г/м3.
Введение гуминового вещества в загрязненные мышьяком водные среды позволяет создать буферную структуру, поддерживающую равновесие между продукционными и деструкционными процессами в воде. Основным продукционным процессом является фотосинтез, приводящий к увеличению биомассы эйхорнии. Гуматы способствуют усвоению биологически необходимых для растения веществ (фосфора, азота и др.), а также микроэлементов, присутствующих в водной среде (вода, взвешенные вещества, донные отложения). Деструкционные процессы активируются гуминовыми веществами в направлении перевода мышьяксодержащих загрязнителей в биологически усвояемые формы.
Растения по окончании вегетации удаляются из водоема, высушиваются и утилизируются.
Техническим результатом изобретения является снижение содержания мышьяка в водной среде, загрязненной мышьяксодержащими соединениями, и увеличение скорости его биологического поглощения.
Использование заявляемого способа для очистки воды позволяет:
- снизить содержание мышьяка в загрязненных водах;
- увеличить интенсивность поглощения мышьяка эйхорнией.
Предлагаемый способ является экологически чистым и может найти применение при извлечении мышьяксодержащих соединений из технологических растворов, сточных и природных вод.
Примеры для осуществления способа.
Пример 1. Для оценки возможности применения эйхорнии по очистке водоемов в качестве мышьяксодержащих соединений использовался ар-сенат натрия.
Эйхорнию помещали в модель водоема объемом 5 л, заполненную водным раствором загрязнителя, при значении рН от 7,0 до 9,0. Арсенат натрия вносили в модель водоема в концентрациях от 1,73 до 17,30 мг/дм3 (расчет проводили по мышьяку), при поддержании температуры окружающего воздуха не менее 16°С, а температуры загрязненной воды - в пределах от 15°С до 36°С; при биологическом потреблении кислорода не более 1000 мг О2/л и химическом потреблении кислорода не более 2000 мг O2/л при дополнительном искусственном освещении лампами зелено-красного спектра мощностью не менее 300 Вт/м2 не более 14 ч в сутки с 5 до 19 ч, в случае недостатка освещенности; при поддержании температурного режима в холодный период путем укрывания растений светопроницаемой пленкой, увеличивающей красную составляющую спектра; при проведении воздухообмена в пространстве под пленкой в периодическом режиме отсутствия сквозняка; при использовании в качестве светопроницаемой пленки материала с полупроницаемыми мембранами; при дополнительном подогревании воздуха под пленкой тепловентиляторами; при поддержании температурного режима воздуха под пленкой путем создания увлажняющего слоя в виде искусственного орошения или аэрозольного «одеяла»; при дополнительном подогреве или охлаждении загрязненной воды. Образцы воды отбирали через 3, 6, 9, 12, 15, 18, 21, 24, 27, 30 суток соответственно, а далее они анализировались фотоколориметрическим методом с нижним пределом обнаружения мышьяка, равным 0,01 мг/м3.
Полученные результаты по определению содержания мышьяка в пробах воды представлены в таблице 1.
Анализ таблицы 1 показывает, что способность эйхорнии к очистке воды от мышьяка наблюдается в широком диапазоне концентраций. Причем, способность к извлечению загрязнителя существенно зависит от его концентрации. Степень извлечения мышьяка эйхорнией из раствора арсената натрия с концентрацией 17,3 мг/дм3 составляет менее 87% за 30 сут.
Пример 2. Для оценки возможности применения эйхорнии по очистке водоемов ее помещали в модель водоема объемом 5 л, заполненную водным раствором арсената натрия, гумата натрия с концентрацией 2 г/м3 и при значении рН раствора 4,0. Арсенат натрия для приготовления растворов использовали в количествах, обеспечивающих содержание общего мышьяка 0,75; 15,0 мг/дм3, при поддержании температуры окружающего воздуха не менее 16°С, а температуры загрязненной воды - в пределах от 15°С до 36°С; при биологическом потреблении кислорода не более 1000 мг O2/л и химическом потреблении кислорода не более 2000 мг О2/л; при дополнительном искусственном освещении лампами зелено-красного спектра мощностью не менее 300 Вт/м2 не более 14 ч в сутки с 5 до 19 ч, в случае недостатка освещенности; при поддержании температурного режима в холодный период путем укрывания растений светопроницаемой пленкой, увеличивающей красную составляющую спектра; при проведении воздухообмена в пространстве под пленкой в периодическом режиме отсутствия сквозняка; при использовании в качестве светопроницаемой пленки материала с полупроницаемыми мембранами; при дополнительном подогревании воздуха под пленкой тепловентиляторами; при поддержании температурного режима воздуха под пленкой путем создания увлажняющего слоя в виде искусственного орошения или аэрозольного «одеяла»; при дополнительном подогреве или охлаждении загрязненной воды. Образцы воды отбирались через 1,5; 3,0; 4,5; 5,5 и 6 суток, и анализировались фотоколориметрическим методом анализа на содержание мышьяка.
Все указанные мероприятия позволяют создать оптимальные условия для адаптации эйхорнии, содержания ее в холодный период и создать оптимальные условия для эффективной очистки загрязненных вод от мышьяка.
Полученные результаты по определению содержания мышьяка представлены в таблице 2.
Результаты, представленные в таблице 2, показывают, что растение эйхорния как при низких концентрациях арсената натрия, так и при высоких в промежутке времени от 1,5 до 6,0 суток проявляет свои поглощающие свойства максимально эффективно. Степень извлечения мышьяка по методу «введено-найдено» от начала эксперимента до его завершения составляет от 93% до 94%. При этом в течение всего времени проведения эксперимента гибели растений не наблюдалось.
Динамика накопления мышьяка в эйхорнии при различных концентрациях арсената натрия и гумата натрия представлена графически на фиг. 1. Содержание мышьяка в эйхорнии определялось рентгенофлуорисцентным методом.
Анализ результатов таблиц 1, 2 и динамики накопления мышьяка (фиг. 1) показывает, что при добавлении в раствор арсената натрия с концентрацией от 0,75 до 20,0 мг/дм3 и растворимых солей гуминовых кислот (гумата натрия) в количествах, обеспечивающих их концентрацию от 1 до 2 мг/дм3 достигается увеличение интенсивности поглощения мышьяка эйхорнией от 3 до 5 раз. Достигается увеличение степени извлечения мышьяксодержащих соединений в присутствии гумата натрия за 6 суток эксперимента в среднем на 20%.
Угнетение жизнедеятельности эйхорнии при содержании мышьяксодержащих соединений в водной среде до 20 мг/дм3 незначительное, при дальнейшем повышении концентрации растения угнетаются до увядания.
Таким образом, при значениях содержания мышьяка до 20 мг/дм, с добавлением солей гуминовых кислот, обеспечивающих концентрацию в интервале от 1 до 2 мг/дм и значения рН среды выше 4, вегетация эйхорнии регулируема и позволяет осуществлять очистку загрязненных водных сред от мышьяксодержащих соединений.
Способ биологической очистки водных сред, загрязненных мышьяксодержащими соединениями, включающий размещение эйхорнии в загрязненной воде с содержанием мышьяксодержащих соединений в концентрациях до 20,0 мг/дм3 и со значением рН от 4 до 9 с добавлением растворимых солей гуминовой кислоты в концентрациях от 1 до 2 г/м3, при поддержании температуры окружающего воздуха не менее 16°С, а температуры загрязненной воды - в пределах от 15°С до 36°С; при биологическом потреблении кислорода не более 1000 мг O2/л и химическом потреблении кислорода не более 2000 мг О2/л; при дополнительном искусственном освещении лампами зелено-красного спектра мощностью не менее 300 Вт/м2 не более 14 ч в сутки с 5 до 19 ч в случае недостатка освещенности; при поддержании температурного режима в холодный период путем укрывания растений светопроницаемой пленкой, увеличивающей красную составляющую спектра; при проведении воздухообмена в пространстве под пленкой в периодическом режиме отсутствия сквозняка; при использовании в качестве светопроницаемой пленки материала с полупроницаемыми мембранами; при дополнительном подогревании воздуха под пленкой тепловентиляторами; при поддержании температурного режима воздуха под пленкой путем создания увлажняющего слоя в виде искусственного орошения или аэрозольного «одеяла»; при дополнительном подогреве или охлаждении загрязненной воды.
