Размещено на http://www.allbest.ru/

Возможности использования свойств и способностей Эйхорнии для доочистки загрязненных вод

Рост населенных пунктов, развитие хозяйственной и промышленной деятельности, возрастающее потребление водных ресурсов и объема отходов, в т. ч. и сточных вод, увеличивает антропогенную нагрузку на экосистемы различных объектов. Увеличивается количество различных водоемов, где качество воды оценивается как все менее удовлетворяющее практически всем видам пользования. Ощутимое вредящее воздействие наносится из-за поверхностных вод с недостаточной степенью очистки, талых и дождевых вод и т.п. Начинается обогащение водоемов биогенными веществами, что усиливает процессы эфтрофикации. Образовавшиеся вещества обеспечивают увеличение количества и биомассы животных организмов. Однако после их отмирания создаются проблемы с размножением органических веществ. Основными причинами является поступление повышенных количеств биогенных компонентов (особенно азота и фосфора), которые поставляются применением различных химических препаратов. В хозяйственно-бытовых сточных водах такое соотношение обычно сдвинуто в сторону увеличения содержания азота и фосфора. Взвешенные вещества в них приводят к заиливанию дна водоемов и постоянному процессу биологического разложения. Содержание биогенов стремится к пределам возможности существования живых организмов. С увеличением объемов сточных вод накопление вредных примесей в водных объектах идет быстрее естественной деструкции. Усиливающим является фактор хлорирования сбрасываемых стоков для подавления болезнетворных микроорганизмов.

Содержание биогенов стремится к пределам возможности существования живых организмов. Усиливается фактор загрязнения близлежащих территорий и грунтовых вод. В объемах вода испаряется, и концентрация солей возрастает. С поступающей вновь водой в объем попадают новые порции различных соединений. В конце концов, концентрация взвешенных и растворенных веществ возрастает настолько, что вода переходит в классификацию рассолов, и в водном объеме останавливаются рост флоры и фауны. Постепенно накапливается такое количество биогенов и в таких соотношениях, что водоемы заполняют преимущественно низшие растения в т. ч. и сине-зеленые микрооорганизмы-водоросли. При этом могут выделяться сероводород и метан. Остатки все больше накапливаются на дне водоемов, что приводит к быстрому обмелению и зарастанию. Перспектива естественного самовосстановления таких водоемов становится невозможной и они, как правило, переходят в разряд мертвых. Усиливается загрязнения близлежащих территорий и вод.

Обработка водных сред актуальна во многих местах, где на относительно малых площадях концентрируются требующие доочистки воды любого происхождения. Это водоемы или участки водоемов с различной степенью эвтрофирования в черте населенных пунктов, ручьи и малые речки, в которые могут попадать воды с загрязнениями.

При удалении загрязнений искусственными методами прибегают к созданию специальных технических и технологических условий и способов или к стимуляции биологических процессов.

Однако, сорбционные методы требуют сложного оборудования, имеют невысокую скорость очистки, особенно в открытых водоемах. Требуются системы регенерации или утилизации отработанных накапливающихся сорбентов. Проблема утилизации избыточного активного ила является одной из важнейших при биохимической очистке сточных вод. Затраты на утилизацию ила достигают 50% общей стоимости процесса биологической очистки.

Реагентные методы, довольно дорогостоящи и практически неприменимы для открытых водоемов, тем более проточных.

Микробиологические методы ограничены в применении при наличии сложных по составу загрязняющих примесей вод, жестких температурных рамок, требований в поддержании строго заданных условий, использования недешевых препаратов и невозможностью для любых проточных условий. В целях удаления из сточных вод азота и фосфора могут быть реализованы технологические схемы с денитрификацией и дефосфотацией, но они довольно громоздкие и энергоемкие. Одним их простых может быть устройство циркуляционных каналов небольшой глубины или модулей ограничителя глубины соответствующей длины составленных из определенного числа лотков; для реализации оптимального контакта и обработки проходящего объема вод, каскадов биопрудов и т.п.

При наличии у водоемов пологих песчаных берегов возможно создание искусственной волны с целью многократной фильтрации воды через песок или пропускание вод из водоема через очистные сооружения и возврате их обратно. Для подобных целей возможно применение технологии циркуляционных окислительных каналов, каскадов биопрудов и т.п.

Однако, далеко не все традиционно - применяемые технологии очистки (доочистки) различных вод пригодны и целесообразны для многих водоемов, таких как большая часть природных, декоративных, купальных и т. п, а возможные затраты на подобные мероприятия значительны даже для небольших объемов вод.

Практическое использование свойств и способностей растений - действенный способ улучшения состояния загрязненных природных водоемов (в борьбе с эвтрификацией), а также некоторых технологических водных объектов и снижения экологических рисков.

Гидроботанический метод доочистки загрязненных вод имеет ряд преимуществ, и один из них - способ дешевле и часто эффективнее в сравнении с другими действующими методами т.к. окупаемость его применения высока. Техническое культивирование растения на открытых водных объектах исключительно сезонно. Но даже применение его только в теплое время года способствует заметному снижению среднегодовых показателей содержания примесей в требующих очистки водах, а это не что иное, как экономический эффект.

Эффективность и конкурентноспособность этого способа базируется на факторах невысокой трудоемкости в организации и обслуживании участков в период практического использования выращивания Эйхорнии.

Часто при небольших начальных и эксплуатационных расходах общие затраты ниже тех, которые потребовались бы для реализации многих других традиционных способов достижения результата очистки объемов вод. Общий экономический эффект высчитать пока непросто, однако, оценить хозяйственную целесообразность возможно наглядно. Достаточно сравнить затраты с "типовыми". Экономия составляла в различных случаях до 50%.

Описание растения

Название: Eichornia crassipes (Water hyacinth), Эйхорния (Водный гиацинт) - представитель высшей водной растительности. Эйхорния - плавающее растение, типичный гидрофит.

Надводная часть - розетка листьев с укороченными стеблями.

Воспроизводство как правило вегетативное - дочерними отростками.

Эйхорния образует множество вегетативных побегов с развитием на них

молодых растений. Листья гладкие блестящие, симметричные, основание

округлое, имеют ложкообразную форму, к вершине овально заужены,

края ровные, несколько изогнутые к водной поверхности.

На розетке взрослого растения может быть до 8 листьев.

Черешки листьев - пузыревидные вздутия с воздухоносной тканью пористой

структуры, что и придаёт растению высокую плавучесть и остойчивость.

Листовая пластинка и поперечный срез черешка

Когда Эйхорния растет одиночными кустиками - вздутия крупные для предотвращения опрокидывание растения.

Если же его окружают множество других, то для растения этого уже не нужно и вздутия уменьшаются в размерах, становятся вытянутыми, бутылковидными и постепенно вовсе принимают цилиндрическую стебельную форму.

Взрослое растение с хорошо развитыми листьями при определенных условиях цветет.

У растений короткого дня, в основном, тропических и субтропических, цветение наступает если продолжительность светового дня менее 12 ч или при меньшем световом уровне. В этот период в надводной части в центре розетки растения образуется колосовидное соцветие, каждый состоящий из 5 - 8 цветков. Цветки шестилепестковые, крупные, фиолетово - голубых оттенков с желтоватым пятном в центре и более ярко окрашенным верхним лепестком.

Высота цветоноса около 30 см. Они раскрываются лишь на очень короткое время и отцветший бутон опускается под воду. За внешнее сходство с соцветием гиацинта Эйхорния и получила одно из своих названий - водный гиацинт.

Подводная часть - развитый пучок нитевидных, густо опушенных корней от серого до темного, почти черного цвета. Корни мочковатые, хрупкие, реснитчатые. На мелководье или вблизи берега могут закрепляться в иле. Корневая часть имеет огромную удельную поверхность.

На 1 мм² поверхности корня может располагаться до 400 корневых волосков. В зависимости от количеств питания для растения, а также его доступности длина корневой части может достигать 1м.

В естественных условиях Eichornia crassipes обитает во внутренних и береговых пресноводных бухтах, озерах, и болотах субэкваториальных, тропических и субтропических климатических поясов. Одно из первых упоминаний о Water hyacinth отмечено в 1884 году во время промышленной выставки. Эти растения далее распространялись большей частью владельцами скота, которые усмотрели в них дешевый источник составной части кормов.

Общий механизм жизнедеятельности

Растения Эйхорнии обладают высокой способностью к размножению. Развитие обусловлено увеличением числа клеток и их объема. 80-90% массы высших растений состоит из воды. Она пропитывает все клетки растения, транспортирует по его сосудам питательные вещества и является одним из исходных материалов для фотосинтеза. питательные для себя вещества растения получают непосредственно из состава вод - среды обитания. Устанавливается цикл, при котором извлеченные вещества преобразуются в устойчивые растительные клетки и элементы их питания.

Органическая жизнь растений связана с углеродом, являющимся составной частью углеводов, которые растения вырабатывают в процессе его ассимиляции.

6 СО₂ + 6 Н₂О + свет/хлорофилл = С₆Н₁₂О₆ + 6 О₂ + 674 ккалории энергии

Таким образом, фотосинтез растений, по существу, биохимический процесс преобразования световой энергии в химическую. Эйхорния корнями потребляет из сред обитания жизненно необходимую для фотосинтеза углекислоту, образующуюся в процессе жизнедеятельности в водном объеме, а также надводной частью углекислый газ из воздушной среды. Рост растения, синтез в обмене веществ и др. процессы требуют затраты энергии.

Оно производится всеми живыми клетками растения и идет непрерывно.

Эйхорния, как типичный представитель фотосинтезирующей растительности, использует для своей жизнедеятельности энергию света. Листья под действием света из воды и растворенного в ней углекислого газа вырабатывают углеводы и кислород, который выделяют в воду. При этом улавливается световая энергия, которая накапливается в растении как химическая энергия и затем используется для различных целей.

Растения приспосабливают свой цикл развития к сезонам. У них наблюдаются периоды покоя, активного роста, цветения и прекращения жизнедеятельности. Эти периоды растение определяет по внешним условиям.

Ещё одной особенностью питания растений, не менее важной, является их способность усваивать (поглощать) азот, серу, фосфор, калий и другие минеральные элементы в виде ионов минеральных солей и использовать их для синтеза таких важнейших компонентов живой клетки, как аминокислоты, белки, нуклеиновые кислоты, вещества вторичного обмена и превращать в вещества своего тела.

Эйхорния в процессе активной жизнедеятельности развивает поверхность корневой системы извлекая из водного объема (среды обитания) в качестве собственного питания многие взвешенные и растворенные вещества, снижая этим их количество в водном объеме.

Интенсивность поглощения зависит от ряда факторов, влияющих на вегетацию растения.

В воде растения могут отнимать весь СО₂ у некоторых молекул гидрокарбонатов и использовать его для фотосинтеза. Растения могут сами синтезировать органическую субстанцию из неорганических веществ.

Здесь немаловажна качественная и количественная достаточность питания (примеси вод) потому, что это основная составляющая всей энергии, получаемой растением для поддержания жизнедеятельности.

Для этого в качестве исходных веществ им нужны вода, углекислый газ, катионы К⁺, Са⁺⁺, Mg⁺⁺ и Fe⁺⁺, анионы NO₃ ^- SO₄^--, PO₄^--. В процессах жизнедеятельности растениям требуются не только macro, но и micro элементы. За исключением галогенов это, как правило, ионы металлов: бор, ванадий, йод, кобальт, марганец, медь, свинец, молибден, никель, кадмий, цинк и др.

Растения абсорбируют в тканях немного больше веществ, чем фактически необходимо для обычной жизнедеятельности.

Это можно оценить как создание своего рода запаса для недолгого существования в случае возможного снижения жизнеобеспечения. Растения Эйхорнии могут с возможностью последующего самовосстановления небольшое время существовать в экстремальных для себя условиях. Этими факторами и объясняется их некоторая устойчивость к краткосрочным экстремальным условиям.

Большая развитая корневая система Эйхорнии выполняет функции своеобразного сита для воды - биофильтра. Волокнистая структура корней растения создает высокоразвитую поверхность и обеспечивает благоприятные условия формирования растения и жизнедеятельности. Интенсивность фотосинтеза у Эйхорнии одна из самых высоких.

При вегетации, всвязи высокой продуктивности водного растения (автотрофа) потребность в них пропорционально возрастает.

Таким образом, растения Эйхорнии, наращивая зеленую массу, постоянно используют для себя соединения состава вод. Фактически растение комфортно чувствует себя в достаточно загрязненных водах (до уровня допустимых для растений содержаний этих примесей).

Это значительно увеличивает скорость переработки биогенных составляющих вод в мобильном состоянии (взвешенные и растворенные). Кроме того, на жизнедеятельность оказывают большое влияние параметры внешней среды, фактические экологические условия.

Одним из важных факторов является общая солёность воды. В соленой воде наблюдается затухание роста и развития. Поэтому для Эйхорнии предпочтительны пресные водоёмы.

При попадании в новую для себя среду обитания растения Эйхорнии небольшое время адаптируются. Растения, по мере возможностей, приспосабливают свои потребности существования к реальным естественным ресурсам.

Далее эти растения создают колонию (куртину) - "ковер”, сформированный из особей, небольшого размера. Далее с увеличением количества растений потребность в питании увеличивается а, следовательно, повышается извлечение различных составляющих из водной среды обитания.

Динамика потребления веществ характеризуется стремлением растения увеличить площадь контакта со средой обитания, активностью вегетации растений и окислительно-восстановительными процессами в области корневой системы. Продуктивность растения, делает этот эффект высоким. Роль окислителя в процессах жизнедеятельности водного гиацинта выполняет кислород, который вырабатывается растением при фотосинтезе. Благодаря растению, поселяемому в гидрообъеме, ускоряются процессы деструкции (разрушения) органических, неокисленных минеральных соединений. Происходит усиление процессов минерализации углеводородов, детоксикации биогенов.

Возможности использования свойств и способностей растения

Многие свойства и способности Эйхорнии стоят внимательного рассмотрения. Особенно следует отметить свойства этого растения как эффективного биофильтра для высокодисперсных примесей и взвесей. Растения задерживают и потребляют более мелкие частицы, чем механические фильтры. Активный ил на корнях растения работает так же как и в очистных сооружениях.

Создается биологический барьер развитию патогенности этих экосистем. Значительно снижается влияние вредящих факторов и, как следствие, изменения показателей водной среды.

У Эйхорнии оказались неплохие показатели практического применения в доочистке водоемов от некоторых химических соединений, причем работает она довольно быстро. Степень воздействия макрофитов зависит от занимаемой ими площади, количества заселивших микроорганизмов и внешних факторов и условий обитания.

Таким образом: Каждое растение Эйхорнии представляет собой мини-блок естественного очистного сооружения по извлечению и, практически, безотходной переработкой части растворенных и взвешенных примесей из водных объемов.

Суть - интенсификация очистительной способности водных сред биоактивностью Эйхорнии.

При круговороте в природе H₂O как химическое соединение не подвергается никаким изменениям. В отличие от химически чистой, все воды представляют собой растворы, как правило, сложного состава и всегда содержат те или иные вещества, с которыми они соприкасаются в процессе своего круговорота. Качественно и количественно меняются только содержания в ней примесей - веществ в различном состоянии.

Процесс поглощения определенными растениями загрязнителей, скапливающихся в воде переработка и использование их для своей жизнедеятельности для природных биосистем естественен. Присутствие водных растений умягчает воду. Потребление ими углекислоты из примесей, в составе вод, ведет к выпадению в осадок нерастворимых и труднорастворимых основных солей. Снижается жесткость и солесодержание воды. Такое потребление присуще любым организмам фитопланктону, безъядерным и одноклеточным водорослям.

Применение растений для очистки вод основано на их естественной способности поглощать в процессе роста биогенные элементы.

Фитомелиорация - культивирование водной растительности. Эта роль настолько значительна, что делает присутствие растений в водоемах весьма желательным.

При этом основным является биологическая минерализация и деструкция (разрушение) многих загрязняющих веществ в водных объемах в форму, наиболее удобную к поглощению растениями из водного объема различных примесей и образующихся веществ.

Появляется необходимость увеличения доли биомассы, в том числе использования дополнительных гидроботанических загрузок для интенсификации доочистки участков водоемов, сочетания различных способов и методов очистки и, в связи с этим, поиск растений оптимально соответствующих таким целям.

Идея использования природных очистителей не нова. Практически вся водная растительность в разной степени потребляет из воздушной среды органические вещества, углекислый газ, карбонатные, сернистые и аммиачные соединения, а корневой частью воду с растворенными биогенными соединениями. Можно назвать немало известных растений, имеющих разновыраженную способность извлечения примесей воды: Ряска с её маленькими листочками, Водяной шпинат, Вольфия, Многокоренник, Элодея, Камыш, Тростник, Осока водяная, Аир и др. Теоретические данные показывают, что в борьбе с загрязнениями водоемов наибольшая эффективность у растений с быстроразвивающейся корневой и вегетативной массой. Особенно плавающие растения. Эйхорния является представителем этой группы. Следует обратить внимание, что по многим сравнительным данным водное растение Эйхорния в продуктивности вегетации и объемах потребления существенно превосходит практически все растения. Этот представитель высшей водной растительности препятствует повышению концентрации примесей разных веществ в воде, предотвращает вредящие явления в водных объемах и позволяет избавляться от тормоза для жизненных процессов.

Эйхорния может быть применена при техническим культивировании с целью моделирования части естественного процесса механизма самоочищения и самосохранения в природе. На участках водных объектов (искусственных или естественных) для организация сезонных циклов реабилитации малых водных объектов или водных участков в качестве альтернативы традиционно - применяемым способам очистки, не всегда пригодным или целесообразным для части водоемов. И в режимах текущей эксплуатации небольших очистных сооружений.

Значительно снижается влияние вредящих факторов на экологическую обстановку.

Уменьшается загрязнение берегов, водоемов и подземных вод.

Слово "очищать" довольно не полно озвучивает, что делает Эйхорния в водной среде роста, не оказывая негативного влияния на существующие биоценозы водоемов и берегов.

Экологическая безопасность при техническом культивировании

Основной - низкие температуры. Температуры +12^ОС (по наблюдениям порог оптимального функционирования для этого растения) ещё не приводят к гибели растений, но существенно снижается продуктивность. Водный гиацинт с полным отсутствием хладоустойчивости не переносит температуры воздуха и водной среды характерные для холодных климатических сезонов. При дальнейшим понижении температур в открытых водоемах в очень короткое время теряет жизнеспособность и не сможет беспредельно заполнять водоемы как в тропиках и субтропиках. Натурализация, то есть самостоятельное вольное существование Эйхорнии в таких условиях абсолютно нереальна.

Ещё фактор - опыление. Цветок не обладает функцией самоопыления и не может быть продуктивно опылен. В этом случае размножение растения исключительно вегетативное.

Вегетацию же растения Эйхорния при техническом культивировании в гидроботанических зонах на ограниченных водных участках возможно регулировать вплоть до полного её

прекращения. К тому же, при использовании растения в доочистке водных сред, вся фитомасса остается внутри системы и не поступает в объем сточных вод.

По результатам аналитического контроля и сертификации в соответствии классификации отходов перед полным прекращением биологического существования вегетационная биомасса растения соответствует нормативам неопасных категорий и не характеризуется анаэробной деструкцией с образованием сернистых соединений (гниением). А объем и вес оседающих растений гораздо меньше по сравнению с количествами загрязняющих примесей, извлеченных в течение периода культивирования. К тому же, под воздействием давления на глубине, происходит уменьшение объема оседающей биомассы относительно количества вегетационной массы растения. В период деструкции образуются легкоокисляющиеся соединения и вещества. Эти процессы продолжаются через ферментацию, которая в анаэробных условиях происходят довольно быстро.

Засорение водоемов маловероятно, т.к. растения в период вегетации извлекают из водной среды обитания и перерабатывают гораздо большее количество загрязнений, чем вся их вегетационная масса.

Опытные и опытно-промышленные работы на реальных объектах с 2000 г.

До 2005 года согласно:

патенту № 2193532 "Способ выращивания Эйхорнии при гидроботанической доочистке загрязненных вод”;

согласованиям Департамента правительства Москвы по природопользованию и охране окружающей среды;

гигиеническому заключению Центра Государственного санитарно - эпидемиологического надзора о соответствии гидроботанического способа доочистки загрязненных вод санитарным правилам и нормам охраны поверхностных вод.

С 2006 года, после доработок и уточнений согласно: - патенту № 2288894 "Способ гидроботанической очистки загрязненных водных сред в климатических условиях средних широт”; - патентов на полезную модель № 32776 "Установка очистки сточных вод” и № 47349 "Сооружение очистное”.

Получены:

серебряная медаль ВВЦ и диплом VI Московского международного салона-семинара инноваций и инвестиций в Москве проекта ЭКА - Эйхорния "Создание оперативных запасов растений для гидроботанической очистки водных объектов от загрязнений в случаях аварийных проливов”;

сертификат участия на международном конкурсе в совместном проекте и признания для применений.

Общий характер изменения некоторых показателей водных сред после завершения режима адаптации в них растений

Рыбы при своей жизнедеятельности выделяют достаточное количество углекислоты, нитратов и фосфатов и растения не испытывют дефицита. Растения же обеспечивают рыб количеством кислорода.

Применение культивирования Эйхорнии в водоемах разведения рыбы к тому же может быть расценено как источник части белковой и растительной составляющей в комплексной подкормке рыб и эффективный биофильтр водных объемов, биологический "скребок" для очистки садков, желобов и каналов.

в применении как вторичный источник получения энергии.

Если вегетационная масса растения не отвечает приемлемому потребительскому составу, существуют ссылки на опыт использования её в качестве источника вторичных энергоресурсов.

Использование биомассы Эйхорнии для генерирования газа в биогазогенераторах малого масштаба обосновано, если биомасса может дешево транспортироваться к месту переработки или находиться в непосредственной близости. При конвертировании в биогаз этот процесс может стать рациональным, для решения локальных вопросов в поставках природного газа и возможностью выработки вторичных энергоресурсов. Особенно удобен этот способ для сезонного применения.

В жидком остатке после брожения много белка, а все остальные параметры мало отличаются от классических сортов кукурузы.

Результаты анализа кормовых качеств растительной биомассы и остатка при анаэробном расщеплении (получении биогаза).

эйхорния гидробиологический вода загрязненная

в изготовлении грунтовых смесей, компостов и удобрений для почв.

Зеленая масса компостируется всего около двух месяцев, а в смеси с грунтом дает качественную грунтовую смесь с параметрами питательной.

использование в качестве сменной подстилки для стоил животных.

1 кг высушенной фитомассы растения имеет свойство впитывать до 4 л влаги.

утилизация при повышенном содержании веществ.

В случаях превышений содержании в биомассе растений биогенов, масса растения может быть высушена или подвержена сжиганию в различных режимах. При высушивании, в зависимости от степени и метода, потеря веса растения составляет до 80%. Уменьшение объема до 30% при естественной (воздушной) сушке и до 65% при горячей обработке. Далее может подлежать утилизации как отходы. Основным эффектом, в таких случаях, является снижение вредного действия сточных вод и оздоровление окружающей среды.

известны применения для изготовления бумаги, волокна, спирта и др.

Основные требования и условия для применения растения

Ответ на этот и другие подобные вопросы дают знания, наблюдения и обобщения результатов практических применений.

Жизнедеятельность растения, интенсивность фотосинтеза зависит от ряда внутренних и внешних факторов. Из внутренних факторов наиболее важное значение имеют структура листа и содержание в нем хлорофилла, скорость накопления продуктов фотосинтеза в хлоропластах, влияние ферментов, а также наличие малых концентраций необходимых неорганических веществ. Внешние параметры - это количество и качество света, попадающего на листья, температура окружающей среды, концентрация углекислоты. Наиболее важны, температура, освещенность, качественный и количественный состав питательной среды. Все они действуют совместно. Нехватка одного далеко не всегда может быть восполнена избытком других.

Организация технического культивирования водного гиацинта заключается в комплексе определенных условий существования и развития растений. С созданием соответствующих условий, корневище, стебли и листья растений могут функционировать круглый год. Таким образом, организация круглогодичного культивирования вполне реальна.

Размещено на Allbest.ru