Selezione di piante per filtri fitoattivi per il trattamento delle acque reflue superficiali. Testo di un articolo scientifico nella specialità "Biologia"

Sviluppo di tecnologie per il trattamento delle acque reflue utilizzando piante acquatiche superiori

FGOU VPO "Università statale di Mosca per l'ingegneria ambientale",

Mosca, Russia

L'articolo descrive esempi dell'uso di piante acquatiche superiori per il trattamento delle acque reflue in vari paesi del mondo. Specie vegetali e impianti di trattamento delle acque reflue descritti. La questione dello sviluppo di tali strutture per il clima della Russia.

Di piante vascolari acquatiche Ci sono un certo numero di esempi su come usarlo. Sono descritti i tipi di piante e le costruzioni di compensazione. È un concetto di cambiamento climatico.

L'importanza dell'acqua e dell'idrosfera - il guscio d'acqua della Terra, non può essere sopravvalutata. L'acqua è la base della vita sulla Terra e l'idrosfera è in costante contatto con altre aree del nostro pianeta. Qualsiasi corpo idrico o fonte d'acqua è associato al suo ambiente circostante. È influenzato dalle condizioni di formazione del deflusso superficiale o sotterraneo, da una varietà di fenomeni naturali, dall'industria, dall'edilizia industriale e municipale, dai trasporti, dall'attività umana economica e domestica. Infine, nel mondo moderno, l'acqua è uno dei fattori più importanti che determinano la distribuzione delle forze produttive e molto spesso i mezzi di produzione.

In questo momento, quando il tasso di crescita del consumo di acqua è enorme, quando alcuni paesi stanno già vivendo una grave carenza di acqua dolce, la questione della riduzione dell'inquinamento delle acque dolci è particolarmente acuta.

Esistono vari modi di inquinamento delle acque in modo naturale. Ad esempio, i composti di alluminio nel terreno entrano nel sistema dei corpi di acqua dolce a seguito di reazioni chimiche. Le inondazioni lavano i composti di magnesio dai prati del terreno, causando gravi danni alle risorse ittiche. Tuttavia, il volume degli inquinanti naturali dell'acqua è trascurabile rispetto a quello che produce una persona.

I bacini idrici sono inquinati, principalmente a causa dello scarico di acque reflue da parte di imprese industriali e insediamenti. Come risultato dello scarico di acque reflue, le proprietà fisiche dell'acqua cambiano (la temperatura aumenta, la trasparenza diminuisce, il colore, i sapori e gli odori compaiono); sostanze galleggianti appaiono sulla superficie del serbatoio, e le forme di sedimenti sul fondo; l'equilibrio naturale del serbatoio cambia (il contenuto di sostanze organiche e inorganiche aumenta, appaiono sostanze tossiche, il contenuto di ossigeno diminuisce, la reazione attiva dei cambiamenti ambientali, ecc.); cambiamenti nella composizione batterica qualitativa e quantitativa, ci sono batteri patogeni.

I bacini contaminati diventano inadatti per bere e spesso per l'approvvigionamento idrico tecnico; perdere il loro valore di pesca, ecc.

Molte sostanze e composti chimici, che cadono nei serbatoi, minimizzano il ruolo dei processi naturali di autodepurazione dell'acqua.

Come ogni ambiente della biosfera, un corpo d'acqua ha le sue difese e ha la capacità di auto-purificarsi. L'autodepurazione avviene a causa della diluizione, della sedimentazione delle particelle sul fondo e della formazione di depositi, dell'ossidazione delle sostanze organiche e di molti altri processi volti al ripristino dell'equilibrio biologico. È fornito dall'attività cumulativa degli organismi che popolano il bacino: batteri, alghe e piante acquatiche superiori, vari invertebrati e vertebrati. Pertanto, uno degli obiettivi ambientali più importanti è mantenere questa capacità.

Le piante acquatiche in serbatoi svolgono le seguenti funzioni principali [1]:

filtrazione (contribuisce alla sedimentazione di sostanze sospese);

assorbimento (assorbimento di sostanze nutritive e alcune sostanze organiche);

accumulativo (capacità di accumulare metalli e sostanze organiche difficili da decomporre);

ossidativo (nel processo della fotosintesi, l'acqua è arricchita con ossigeno);

disintossicazione (le piante sono in grado di accumulare sostanze tossiche e convertirle in non tossici).

La capacità delle piante acquatiche superiori di rimuovere gli inquinanti dall'acqua - elementi biogenici (azoto, fosforo, potassio, calcio, magnesio, manganese, zolfo), metalli pesanti (cadmio, rame, piombo, zinco), fenoli, solfati - e ridurre la sua contaminazione con prodotti petroliferi è nota., tensioattivi sintetici, che è controllato da tali indicatori di inquinamento organico come il consumo biologico di ossigeno (BOD) e il consumo di ossigeno chimico (COD), che ci permette di considerare la possibilità di usarli in pr Aktike pulizia industriale, acque reflue domestiche e deflusso superficiale.

In molti paesi, così come negli Stati Uniti, i sistemi di depurazione delle acque miniere sulle piantagioni di canne e canne sono piuttosto diffusi [2]. Impianti di vegetazione a lamella per il trattamento delle acque reflue domestiche nei Paesi Bassi [3], Giappone [4], Cina [5], per la pulizia del deflusso superficiale contaminato in Norvegia [6], Australia [7] e altri paesi sono descritti. La resistenza della canna all'azione di grandi concentrazioni di inquinanti ha reso abbastanza efficace il suo utilizzo per la depurazione delle acque reflue degli allevamenti di suini nel Regno Unito [8].

Nella città di Benton (USA) con una popolazione di 4.700 persone dal 1985, i liquami domestici sono trattati in stagni con canne e altre piante acquatiche. Si stima che il costo di un tale sistema di pulizia sia 10 volte inferiore al costo dei sistemi tradizionali con soddisfacente qualità di depurazione delle acque da azoto, fosforo, composti sospesi e organici [9]. In Irlanda (Williamstone), un sistema di trattamento congiunto dell'acqua domestica (72%) e drenaggio superficiale (28%), progettato sotto forma di tre lagune poco profonde, due delle quali sono piantate con canna e rogoz, e il terzo è un biopesto con galleggiante piante acquatiche - giglio e lenticchia d'acqua.

Secondo i risultati di studi industriali e sperimentali sul processo di trattamento delle acque reflue domestiche con giacinto d'acqua negli Stati Uniti, il grado di purificazione per BOD5 raggiunge il 97... 98%.

In Russia, l'Institute of Cytology and Genetics ha sviluppato una tecnologia per la purificazione delle acque reflue con giacinto d'acqua. È stato svolto un lavoro sperimentale per il complesso di allevamento dei rifiuti di maiale. La pulizia è stata effettuata in biopond. La concentrazione di azoto ammoniacale è diminuita (mg / l) da 30... 50 a 4... 5, BOD5 - da 150 a 20... 30, COD - da 300 a 25... 30, la concentrazione di ossigeno disciolto è aumentata da 0,5 a 2... 5 (mg O2) / l.

In Norvegia, a 40 km a sud di Oslo per la purificazione del deflusso superficiale agricolo, è stato realizzato un bioplato sperimentale (Fig. 1), un filtro con una profondità di 0,5 me un'area di 1200 m2 [8] costituita da 8 strisce parallele (ciascuna di 3x40 m).. Il bacino idrografico è di 0,8 km2. Studi preliminari hanno dimostrato un'efficienza di rimozione significativa delle sostanze sospese - 45... 75%, fosforo - 21... 44%, azoto - 15%. La ricerca continua.

Fig. 1. Bioplato sperimentale in

Fig. 2. Sistema di biofiltrazione

Gli scienziati australiani hanno sviluppato un metodo per pulire il deflusso superficiale dalle autostrade [7]. Le strade non sono sistemate con cordoli, il drenaggio è raccolto da trincee di filtrazione (Fig. 2), riempito a una profondità di 0,8 m con ghiaia. Sul fondo della trincea sono posate tubazioni prefabbricate con un diametro di 150 mm, che trasportano lo scarico per un'ulteriore purificazione al bioplato.

Molte piante acquatiche superiori, come la lenticchia d'acqua, la canna, l'ancia, hanno la capacità di rimuovere gli inquinanti dall'acqua. Particolarmente degno di nota è il giacinto d'acqua, o eihornia, che purifica i laghi, i piccoli fiumi e i bacini idrici, tutti i tipi di fognature sporche di origine domestica e zootecnica.

In Moldova, il Centro di ricerca e sviluppo del Ministero dell'ambiente e del miglioramento del territorio, prima di iniziare l'uso industriale di eichornia, ha condotto una serie di studi. I risultati della ricerca sono i seguenti dati: le piante sono state utilizzate per il trattamento terziario dopo gli impianti di depurazione (le piante sono state piantate negli stagni delle acque reflue trattate da uno degli impianti di depurazione), il volume totale delle sostanze sospese è diminuito del 30%, l'ammoniaca 42, i fosfati 46, il ferro 50, gli esteri sintetici diminuito - 32, prodotti petroliferi - 45% [19].

Nel trattamento delle acque reflue, tali specie di piante acquatiche superiori (VVR) come canna, canna da lago, cono a foglia stretta e latifoglie, pettine e riccio, spirodella multi-radicata, elodea, giacinto acquatico (eichornia), iris giallo, susak, strelloist sono le più comuni utilizzate., grano saraceno anfibio, rezuha marina, urut, hara, iris e così via.

Nei test effettuati in Ucraina, sono state studiate le proprietà di depurazione delle acque con l'aiuto di canne lacustri e rogoza, e la più efficace è una depurazione a tre stadi secondo il layout: canna da canna. Il ciclo di pulizia più ottimale è di sei giorni, in cui la rimozione dell'inquinamento organico è pari all'88% del valore iniziale del deflusso. I risultati degli studi di laboratorio indicano la possibilità di un uso pratico delle piante acquatiche superiori nel processo tecnologico delle imprese di trattamento delle acque reflue.

Gli studi hanno dimostrato che il sistema radicale di tifa ha un'elevata capacità di stoccaggio di metalli relativamente pesanti [11]. La concentrazione di metalli nel sistema radicale del tifa, che è cresciuto sulle rive dei bassifondi delle centrali elettriche, ha raggiunto (mg / kg): ferro - 199,1, manganese - 159,5, rame - 3,4, zinco - 16,6.

È noto che la canna ha elevate proprietà adattive ed è in grado di germogliare in corpi idrici altamente inquinati da acque reflue industriali [12]. È in grado di rimuovere un certo numero di composti organici dall'acqua, inclusi fenoli, naftoli, aniline e altre sostanze organiche. Assorbimento specifico di sostanze minerali con raggi di canna (g per 1 g di peso secco): calcio - 3,95, potassio - 10,3, sodio - 6,3, silicio - 12,6, zinco - 50, manganese - 1200, boro - 14 6 [13].

In Ucraina, l'uso del WWR su diversi tipi di bioplato - ingegneria e strutture biologiche che forniscono il trattamento terziario e domestico, acque reflue industriali e deflusso superficiale inquinato, che non richiedono (o quasi non richiedono) il costo dell'elettricità e l'uso di reagenti chimici con un leggero periodico servizio operativo - iniziato nel secolo scorso. L'Istituto di Idrobiologia dell'Accademia Nazionale delle Scienze dell'Ucraina, Kiev, ha proposto e studiato l'uso di un bioplato come impianto di depurazione delle acque nei canali lungo il quale l'acqua viene trasportata dalla r. Dnipro per l'approvvigionamento idrico di regioni come la Crimea, il Donbass e altre industrie [12, 14, 15]. Lo studio e l'implementazione di strutture di bioingegneria che utilizzano WWR sono eseguite presso l'Institute of Environmental Problems, (Kharkiv).

Nel centro scientifico e ingegneristico (SIC) "Potential-4", i lavori sullo sviluppo della tecnologia di purificazione e drenaggio dell'acqua di ritorno con WWR in un tipo di bioplate idroponica chiusa hanno avuto inizio nel 1990. Il Centro di ricerca "Potential-4" ha proposto strutture biologiche-ingegneristiche basate su un bioplato chiuso tipo idroponico (ZBHT). Il Centro di ingegneria scientifica Potential-4, insieme all'Istituto di Idrobiologia dell'Accademia Nazionale delle Scienze dell'Ucraina, ha condotto studi a lungo termine su diversi tipi di BCGT, sulla base dei quali il BCBG ha riconosciuto dall'Istituto di Igiene e Ecologia Medica dell'HCBT, che fornisce la qualità standard dell'acqua di ritorno per uso domestico e potabile e pesca. La tecnologia di ZBGT isolata si basa sull'utilizzo di entrambi i processi di autodepurazione naturali inerenti agli ecosistemi acquatici e ripariali e sulla gestione di questi processi basati su calcoli basati su fattori esterni (temperatura dell'acqua e dell'aria, pH, periodo dell'anno, carico idraulico sulle strutture, iniziale concentrazione di ossigeno disciolto in acqua e inquinanti dell'acqua fornita per la purificazione), nonché parametri tecnologici di un bioplato (l'area e il materiale delle superfici efficaci come substrati Attaccamento per una varietà di organismi acquatici - batteri, actinomiceti, funghi, protozoi e alghe unicellulari, crostacei, vermi, insetti e briozoi, introdotti durante il lancio di biopreparati con idrobionati selezionati - biodestruttori per specifici tipi di inquinamento nelle acque da pulire [17] ]. Le caratteristiche più importanti della biocenosi artificialmente formata di macrofite e microrganismi in un bioplato sono l'area totale del bioplato che le piante occupano, la loro composizione in specie e l'abbondanza per 1 m2; il tempo di contatto del flusso d'acqua con la biocenosi, la modalità operativa del bioplato.

Fig. 3. Design tipico ZBGT con fondo ermetico

La figura 3 mostra un tipico disegno schematico di un BHT. Le acque reflue provenienti da una stazione di pompaggio delle acque reflue con un'unità di pulizia integrata (SPS con UBE) vengono immesse in un pozzo di distribuzione, che viene spesso posizionato direttamente nel bioplato. Dal pozzo di distribuzione attraverso il sistema di tubazioni perforate, che in un piano costruttivo può essere posato lungo un andamento parallelo o radiale, l'acqua entra nel bioplato. La filtrazione delle acque reflue avviene in direzione verticale attraverso il caricamento del serbatoio (ghiaia lavata, argilla espansa).

L'area di ZBHT e lo spessore del carico del giacimento sono determinati dal calcolo e dal tipo di WWR. Le piante acquatiche più alte (canna e alza canna) sono piantate con una densità di 4... 6 piante per 1 m2. Le acque reflue vengono trasportate attraverso un carico di ghiaia di un bacino di filtrazione, rizomi di piante acquatiche superiori e una preparazione batterica che promuove la decomposizione di sostanze organiche difficilmente ossidabili. Quando altamente contaminati con sostanze organiche, le acque reflue possono essere pre-saturate con ossigeno prima di essere immesse nel BCGT, il che aiuterà l'ossidazione aerobica dell'inquinamento organico da parte dei microrganismi di periphyton e la respirazione dei rizomi delle piante acquatiche superiori. Il rivestimento della struttura con un materiale termoisolante inerte impedisce il suo congelamento nel periodo invernale e assicura un'efficace depurazione delle acque reflue durante tutto l'anno. Strutturalmente, viene creata la ventilazione naturale dell'intero volume del carico ZPGT, che garantisce l'uso efficace di WWR e dell'idrobiocenosi del biofilm per l'ossidazione dell'inquinamento.

ZBGT è una struttura ingegneristica, che viene utilizzata principalmente per la purificazione di acque reflue UHF precedentemente pulite, ma può anche essere utilizzata per migliorare la qualità delle acque superficiali. I disegni ZBGT sono di varie forme: rettangolare, ovale, arbitrario. L'utilizzo dei principi del landscape design nella progettazione e costruzione di strutture bioplatiche consente di sfruttare a fondo le possibilità decorative delle strutture per migliorare le caratteristiche estetiche delle aree circostanti. Sono stati sviluppati diversi progetti di bioplato (a uno o due livelli, a uno stadio ea più stadi), che consentono un trattamento e uno smaltimento efficaci dell'acqua trattata direttamente nel serbatoio. Nella fig. Le figure 4 e 5 mostrano le foto ZPGT durante la messa in servizio e nel terzo anno di funzionamento.

Oltre alle sue funzioni di bioingegneria, ZBHT, in quanto ecosistema altamente produttivo, crea eterogeneità spaziale negli esistenti paesaggi antropogenici impoveriti, fornisce ulteriori habitat e risorse alimentari per molte specie di flora e fauna, che a loro volta creano condizioni favorevoli per sostenere la biodiversità [16]. L'uso dei principi del landscape design nella progettazione e costruzione di ZBGT rende possibile l'uso estensivo delle capacità decorative delle strutture per migliorare le caratteristiche estetiche dei siti industriali e di altri territori.

Il metodo biologico di depurazione delle acque è ben consolidato in un clima secco e caldo. Un tentativo di introdurre questo metodo nella Russia centrale non dà risultati così ottimistici, principalmente a causa del fatto che il numero di giorni all'anno con una temperatura media giornaliera superiore a 16 ° C (a cui la vegetazione acquatica più alta cresce attivamente la vegetazione) è molto piccola. Pertanto, è necessario adattare la tecnologia di pulizia al clima della Russia. A tal fine, è necessario sviluppare alcune soluzioni tecnologiche e tecniche che garantiscano un funzionamento stabile ed efficace dei sistemi di trattamento biologico che utilizzano la vegetazione acquatica più elevata durante l'anno.

Impianti per la pulizia degli stagni

Le caratteristiche dell'acqua nel giardino sono bellissime e attirano l'attenzione di tutti. E quanti problemi sorge con il loro aspetto: pulire, mantenere la decoratività, preservare per l'inverno. Ma ci sono alcuni metodi che rendono la vita più facile per il proprietario del bacino.

Uno stagno che può essere pulito con le piante è uno stagno diviso in

  • profondo (ad esempio, per nuotare),
  • aree poco profonde con piante che fungono da rigeneratori naturali dell'acqua.

Tale serbatoio ha un aspetto naturale e si inserisce perfettamente nel giardino paesaggistico.

Le piante che "puliscono" il serbatoio sono chiamate bioplato. Eseguono un numero enorme di funzioni, oltre al principale.

  1. La principale funzione di filtrazione è quella di favorire la sedimentazione di sostanze, ad esempio ossidanti (nel processo di fotosintesi, l'acqua è arricchita con ossigeno).
  2. Importante è anche la funzione dell'assorbimento di sostanze nutritive e di alcune sostanze organiche, nonché l'accumulo di sostanze tossiche con la loro conversione in composti non tossici.
  3. Inoltre, le piante del bioplato sono in grado di accumulare metalli e sostanze organiche difficili da decomporre.
  • Per la filtrazione dell'acqua, la dimensione ottimale del bioplato è di circa 2/3 del serbatoio.
  • Pertanto, l'intero laghetto dovrebbe avere un'area sufficientemente grande.
  • La biofiltrazione è quasi un'opzione ideale per il trattamento delle acque.
  • L'acqua, infatti, diventa cristallina, se il bioplato viene eseguito correttamente.

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Non è consigliabile allevare pesci in un tale serbatoio, poiché ciò aumenta notevolmente il carico sulla zona di rigenerazione.
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Le piante - i generatori di ossigeno (arricchiscono l'acqua con l'ossigeno), svolgono un ruolo importante nel mantenimento della purezza dello stagno.

  1. Dovrebbero essere collocati nella parte più profonda del serbatoio e tagliati regolarmente in modo che non crescano casualmente.
  2. Le piante prese dall'habitat naturale tollerano bene l'inverno.
  3. La composizione delle specie della vegetazione dovrebbe formare un apparato radicale sviluppato ed essere resistente ai fattori avversi.

Tipi di piante più comunemente usati come bioplato:

  • Ira;
  • bogberry (stella d'acqua);
  • iris;
  • calendula;
  • burro di ranuncolo;
  • pontaderiya;
  • rdest ricci;
  • tifa;
  • foglia tritata;
  • teleorez ordinario;
  • acqua potabile;
  • canna halyardis;
  • antipiretico fontinalis (muschio chiave);
  • parte del platano;
  • eyhorniya;
  • elodea.

In uno stagno autopulente, tutto è interconnesso:

  • l'acqua nutre le piante
  • le piante purificano l'acqua
  • i rappresentanti morti della flora si scindono in microelementi necessari per la crescita di altri microrganismi.