CC BY
213
УДК 628.35
С. С. Тимофеева, Д. В. Ульрих, С. С. Тимофеев
ФИТОФИЛЬТРЫ ДЛЯ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД
Ключевые слова: тяжелые металлы, водные растения, фитотехнология, биоинженерные очистные сооружения.
Изучена фитосорбция ряда тяжелых металлов из водных растворов водными растениями, произрастающими в водоемах Восточной Сибири и Южном Урале в модельных условиях. Установлено, что растения сохраняют жизнеспособность, успешно размножаются. Растения ранжированы фитосорбционной способности и определены виды наиболее перспективные для использовании в биоинженерных очистных сооружениях.
Keywords: heavy metals, water plants, phytotechnology, bioengineering treatmentfacilities.
Fitosorbtsiya studied a number of heavy metals from aqueous solutions of water plants growing in Eastern Siberia and the southern Urals waters under model conditions. It was found that plants can survive, breed successfully. Plants ranged fitosorbtsionnoy ability to identify the types and the most promising for use in bioengineering treatment plants.
Введение
Как известно критерием эффективности любой системы водоподготовки и водоочистки является не только доля удаляемых загрязняющих веществ, но и удельные затраты энергии и ресурсов для очистки единицы объема сточной воды. Расходы реагентов и энергии достигают в отдельных случаях около 70 % себестоимости очистки воды. Где возможна экономия материальных и энергетических ресурсов для систем водоподготовки и очистки воды? Этот резерв заложен самой природой, изучая закономерности деструкции или накопления загрязнителей в биоценозах, можно создать высоко энергоэффективные очистные сооружения. Взятый в последние 40 лет курс на разработку и внедрение фитотехнологий очистки сточных вод к настоящему времени уже имеет практическую реализацию и широко применяется в мире. Исследования природных процессов, в частности, очистительного (метаболического) потенциала водной растительности проводятся в более 80 странах мира, в основном в Северной Америке, Европе, Юго-Восточной Азии и Океании.
С 1991 г. на эту тему в мире опубликовано более 4 тыс. работ, и их число растет в геометрической прогрессии, примерно удваиваясь каждые 2-4 года. Это быстрорастущая индустрия во многих странах мира. В последнее десятилетие резко возросло количество исследований, проводимых в Китае, а также количество биоинженерных сооружений, создаваемых с применением фитотехнологий. Согласно статистическим данным, в 2011 г. в Китае действовало 425 таких сооружений, используемых, в основном, для очистки сельскохозяйственных ирригационных стоков, при искусственном обводнении водных объектов и обводнении территорий для восстановления лесов. При этом каждый год строятся и вводятся в действие 15-30 новых сооружений.
Биоинженерные очистные сооружения в этих странах относятся к наилучшим доступным технологиям. Наибольшее распространение среди биоинженерных очистных сооружениях поверхностных стоков получили биофильтрационные каналы, биофильтрационные склоны, биоплато, биопруды, фи-тофильтры [1].
Биофильтрационный канал представляет собой открытый канал небольшой глубины засаженный водной растительностью и иимеющий небольшой уклон для движения воды. Биофильтрационные каналы располагают вдоль улиц, парковочных площадок или по периметру жилой застройки.
Биофильтрационный склон - это засаженная растительностью площадка, имеющая незначительный уклон, предусмотренный для движения поверхностного стока. Движение воды происходит в тонкослойном режиме.
Биоплато представляют собой мелководную территорию произвольной конфигурации с зарослями вышей водной растительности, созданную в пониженной части рельефа. В основном биоплато образуют заросли тростника обыкновенного, рогозов узколистного и широколистного, камыша озерного, элодеи. Чаще всего применяются для доочистки сточных вод.
Биопруды представляют собой естественные или искусственно созданные понижения рельефа, служащие для накопления поверхностного стока и его очистки в период пребывания в сооружении. В отличие от биоплат0 пруды имеют большую глубину.
Фитофильтры для очистки поверхностных вод представляют собой пониженый участок территории, засыпанный фильтрующей загрузкой и засаженный растительностью.
Все перечисленные сооружения имеют ограниченную область применения, и выбор того или иного типа сооружений должен производиться применительно к конкретной территории с учетом климатических, топографических, геологических, гидрологических особенностей территории, а также экологических характеристик растений.
В России учеными Иркутского государственного университета и Иркутского национального исследовательского университета, Южно-Уральского государственного университета на протяжении более 40 лет ведутся системные исследования по изучению закономерностей механизмов очистки сточных вод разных отраслей промышленности с участием водной растительности в условиях резко континентального климата. Разработаны конструкции фито-технологических сооружений, технологические регламенты эксплуатации таких сооружений, а также
варианты комплексных схем очистки, оценен очистительный потенциал макрофитов, обитающих в водоемах Восточной Сибири, Южного Урала, Казахстана, Узбекистана. Применительно к конкретным предприятиям спроектированы и внедрены разные типы биоинженерных сооружений [2-8].
Органические соединения в биоинженерных очистных сооружениях разлагаются в аэробных и анаэробных условиях. При этом в аэробную зону кислород поступает из атмосферы в результате конвективно-диффузионных процессов, а также через корни макрофитов. Анаэробные условия создаются в закрытых порах грунтов наполнения. Уровень извлечения биогенных и органических веществ из сточных вод в значительной степени зависит от созданных условий: рН, температуры, наличия доступного кислорода, присутствия органического углерода, нагрузки на сооружение, условий и режима поступления загрязнителей, времени нахождения воды в системе, гидрологического режима, удаления растительной массы. Обычными субстратами для растительности могут быть песок, гравий, цеолит, слюда, торф, а также отходы производства, такие как древесные опилки, рисовая и гречневая шелуха, зола, угольные шлаки, мертвый сестон, компост.
Второй большой группой загрязнителей, в деток-сикации и удалении которых используются биоинженерные очистные сооружения, являются тяжелые металлы, металлоиды (иногда относимые к тяжелым металлам) и радионуклиды. Растения, участвующие в обеззараживании тяжелых металлов и радионуклидов, должны соответствовать определенным требованиям: быстро расти, иметь высокую толерантность к металлам, быть устойчивыми к болезням и пестицидам, иметь развитую корневую систему и побеги. А также способность синтезировать особые вещества как отклик на токсичную внешнюю среду, быть непривлекательными для животных, чтобы избежать переноса загрязнителей на более высокие трофические уровни, не быть специфичными к определенным элементам, для того, чтобы существовала возможность извлечения и детоксикации других металлов [3].
Основными типами фиторемедиации тяжелых металлов и радионуклидов являются: фитостабили-зация/фитосеквестрация - перевод химических соединений в менее подвижную и активную форму; фитоаккумуляция/фитоэкстракция - накопление в организме растения опасных загрязнений; фитовола-тилизация - испарение воды и летучих химических элементов листьями растений; ризофильтрация - корни всасывают воду и химические элементы, необходимые для жизнедеятельности растений. Кроме того, органические и неорганические загрязнители, содержащие тяжелые металлы, могут быть удалены из воды и донных отложений в результате различных механизмов биосорбции: адсорбции, абсорбции, выпадения в осадок, поверхностного комплексообразова-ния или ионного обмена. При этом активными биосорбентами являются как живые растения, так и мертвая фитомасса, поскольку основными агентами в этом случае являются бактерии [2-8].
Целью настоящей работы явилось сравнительная оценка биосорбции -фитоочистительного потенциала различных групп водных растений с целью подбора наиболее эффективных фитосорбентов для извлечения металлов из загрязненных вод.
Объектами исследования были водные растения, произрастающие в водоемах Восточной Сибири и Южного Урала. Термином «водные растения» объединяют полностью погруженные в воду или большей своей частью, свободно плавающие на поверхности воды, и растения с плавающими листьями. Их еще иначе называют гидрофитами. По систематическому составу - это представители из различных отделов: мохообразных, плаунообразных и покрытосеменных (цветковых).
Одни из них — самая многочисленная группа, состоит, преимущественно, из однодольных — погружены в воду полностью или большей своей частью (гидатофиты), сюда относятся все формы, гибнущие вне воды и неспособные к сухопутной жизни; они держатся на незначительных глубинах пресных и солёных вод или плавают на поверхности.
Другие погружены в воду только нижней частью (гидрофиты), переживают временную засуху или требуют, чтобы только корни их были обильно увлажнены; это мелководные, прибрежные и болотные формы. Резкой границы между гидато-фитами и гидрофитами не существует. К водным растениям условно относят также и водоросли.
Методы исследования
В работе исследовали биосорбионную активность трех групп растений, наиболее часто встречающихся на Южном Урале и Восточной Сибири: гелофиты (водно-болотные) - аир обыкновенный (Acorus calamus), рогоз узколистный (Typha angusti-folia), сабельник болотный (^marum palustre), ги-датофиты - рдест плавающий (Potamogeton natans L.), кубышка желтая (Nuphar luteum (L.)), гидрофиты - укореняющиеся - рдест блестящий (Potamogeton lucens L.), рдест пронзеннолистный (Potamogeton perfoliatus L.), рдест гребенчатый (Potamogeton pectinatus L.), уруть колосистая (Myriophyllum spicatum L.); а также неукореняющиеся - роголистник темно-зеленый (Ceratophyllum demersum L.); свободноплавающие -(Lemna minor L., Hydrocharis morsus-ranae L., Spirodela polyrhiza (L.) Schleid.); водоросли кладофора сборная (Cladophora glomerata), хара обыкновенная (Chara vulgaris), хара щетинистая (Chara hispida).
Растения собирали тралом, культивировали в лаборатории при умеренном освещении и температуре 10-13 оС. Опыты проводили в сосудах емкостью 35 дм3, в которые помещали растения из расчета 110 г/дм3, заполняли растворами исследуемых веществ, экспонировали в термолюминостате при освещенности 2-3,5 тыс. лк и температуры от 0 до 45 оС. Спустя определенные интервалы времени отбирали пробы и анализировали остаточное содержание металлов. Во всех исследованиях параллельно ставили контрольные эксперименты: растворы реагентов без растений, с инактивированными растениями.
Обсуждение результатов
Для характеристики процессов фитоаккумуляции (накопления) загрязнителей в растениях рассчитывали коэффициент накопления или коэффициент биологического поглощения, представляющий собой отношение содержание исследуемого вещества в водном растении (зола) к его содержанию в водном растворе.
По величине аккумуляции металлов растения условно подразделяют на макро-, микро- и деконцен-траторы. К макроконцентраторам относят растения с Кн > 2, к микро - с Кн = 1-2 и к деконцентраторам - с Кн < 1. Один и тот же вид при разных уровнях содержания металлов в водном растворе может одновременно относиться к разным классификационным группам [9, 10].
Экспериментально установлено, что существенное влияние на процесс накопления металлов исследуемыми растениями оказывают кислотность среды, температура, сезон года, время вегетации, химическая природа загрязнителя. Обобщенно ряд накопления водной растительностью наиболее распространенных химических элементов выглядит следующим образом: N > K > Ca > Mg > P > Fe > Mn > Zn > Sr > Cz > Pb > Cu > Cd > Ni > Co.
Свободноплавающие гидрофиты (Lemna trisulca L., Lemna minor L., Hydrocharis morsus-ranae L., Spirodela polyrhiza (L.) Schleid.) получают минеральное питание преимущественно из воды, поэтому интенсивность накопления, в первую очередь, зависит от концентрации определенного элемента в воде, а также от активной реакции среды.
Укорененные гидрофиты с плавающими листьями помимо водной массы получают значительную часть химических элементов из донных отложений. Наличие развитой корневой системы и активного транспорта из корней к листьям позволяет аккумулировать металлы из донных отложений. Полностью погруженные гидрофиты, как укорененные, так и неукорененные, на протяжении вегетационного сезона могут менять источники поступления вещества в свои ткани: для растений с мощной корне-
Таблица 1 - Коэффициенты биологического накоп
вой системой - донные отложения, а для растений, не имеющих связи с грунтом, - водная масса. Это позволяет при проектировании биологических инженерных сооружений выбирать виды водной растительности высокой фитосорбционной активностью.
Наиболее интенсивным накоплением отличаются следующие виды: полушник озерный (Isoetes lacu-stris L.), харовые водоросли (Chara sp., Nitella sp.), далее следуют элодея канадская (Elodea canadensis Michx.), роголистник темнозеленый (Ceratophyllum demersum L.), рдест гребенчатый (Potamogeton pecti-natus L.), рдест длиннейший (Potamogeton praelon-gus Wulf.), уруть колосистая (Myriophyllum spicatum L.), ряска трехдольная (Lemna trisulca или Staurogeton trisulcus (L.) Schur., ежеголовник прямой (Sparganium trectum L. )
По накопительной способности металлов ним-фейные растения кубышка желтая (Nuphar lutea (L.) Sm.), кувшинка чисто-белая (Nymphaea candida Presl. ) занимают промежуточное положение.
Накопление тяжелых металлов в гелофитах, получающих питание в основном из песчаных и заиленных осадков мелководий относительно низкое: рогоз широколистный (Typha latifolia L.), рогоз узколистный (Typha angustifolia L.), осока сближенная (Carex appro-pinquata Schum.) осока остра (Carex acuta L.), ситник (Juncus L.), ситняг болотный (Eleocharis palustris R. Br), цицания широколистная (Zizania latifolia (Griseb.) Stapf.), аир обыкновенный (Acorus calamus), стрелолист обыкновенный (Sagittaria sagittifolia L.), сусак зонтичный (Butomus umbellatus L.), тростник обыкновенный (Pragmites communis) и камыш озерный (Scirpus lacustris), сабельник болотный (Comarum palustre).
Установлено, что аккумулирующая способность растений существенно различается в зависимости от вегетативного органа, наибольшее накопление металлов наблюдается в листьях, значительно меньше в корнях и семенах.
Накопление зависит от рН, температуры. Оптимальные условия поглощения приведены в табл. 1-3.
в исследуемых растениях при рН = 7,2
Растение Коэф( шциент биологического накопления
Fe Al Ni Cu Cd Zn Pb
Acorus calamus 1,1 8,5 2849 1,9 9,0 38,0 10,2
Typha angustifolia 1,3 8,5 22,7 9,5 949 649 409,0
Comarum palustre 0,9 28,8 35,5 4479 46,5 9,2 3,5
Potamogeton natans L. 0,6 8,7 5,8 2239 18,0 3,1 40,0
Nuphar luteum (L.) 1,1 7,8 34,6 3732 236 1,0 135,6
Potamogeton lucens L. 3,3 27,8 22,7 21,4 18,0 2,4 40,0
Potamogeton perfoliatus L. 1,1 24,8 311,5 447,0 94,0 974,0 101,5
Potamogeton htctinatus L. 1,2 775,0 39,7 2132 13,6 194 19,5
Myriophyllum spicatum L. 1,0 484,0 14,0 1947 46,5 974 18,5
Ceratophyllum demersum L. 1,7 4,5 406,1 173,1 474 71,2 44,5
Cladophora glomerata 2,0 8,0 474,0 51,7 157 47,7 24,6
Chara vulgaris 1,7 27,9 63,7 741 89 56,2 10,9
Chara hispida 1,8 78,2 71,3 235 134 91,1 130
Вестник технологического университета. 2016. Т. 19, №16 Таблица 2 - Коэффициенты биологического накопления в исследуемых растениях при температуре 23°С
Растение Коэф( жциент биологического накопления
Fe Al Ni Cu Cd Zn Pb
Acorus calamus 1,3 34,2 284 3,2 11,7 1025,3 226,8
Typha angustifolia 1,5 2424 149 2356,9 18 1025,3 19,5
Comarum palustre 1,1 76,6 166,6 2487,8 526,8 149 226,7
Potamogetón natans L. 0,7 2154,5 167,1 372,3 58,4 107,3 15,4
Nuphar luteum (L.) 1,3 1958,6 2374 1946,8 326,6 50,3 23,1
Potamogeton lucens L. 2,3 1685,9 218,2 1399 8,5 3,1 28,3
Potamogeton perfoliatus L. 1,2 624,8 189 2634,3 94 1391,8 16,1
Potamogeton htctinatus L. 1,6 1551 157,3 2356,8 35,5 1025,3 226,7
Myriophyllum spicatum L. 1,3 2281,3 236,5 2487,8 34,1 120,9 21,7
Ceratophyllum demersum L. 2,1 30 153,9 13 5,8 7,9 23,1
Cladophora glomerata 1,2 1958,6 195,1 2649,9 62,3 138,3 82,7
Chara vulgaris 1,4 1532,6 154,2 1698,2 13,9 562,3 217
Chara hispida 1,7 892,3 139,8 2013 21,1 45,6 1123
Таблица 3 - Предельная сорбция (Ам) тяжелых металлов из водного раствора фитосорбентами, мг/кг
Металл Гелофиты Гидатофиты Гидрофиты
Acorus calamus Typha angustifolia ^marum palustre Potamogeton natans L. Nuphar luteum (L.) Potamogeton lucens L. Potamogeton perfoliatus L. Potamogeton htctinatus L. Myriophyllum spicatum L. Ceratophyllum demersum L. Cladophora glomerata Chara vulgaris Chara hispida
Fe 0,65 0,81 0,72 0,59 0,72 0,86 0,58 0,72 0,81 0,72 0,81 0,81 0,8
Al 0,36 0,57 0,63 0,56 0,57 0,57 0,52 0,63 0,63 0,52 0,52 0,52 0,52
Ni 0,17 0,1 0,12 0,07 0,07 0,08 0,07 0,054 0,054 0,18 0,12 0,2 0,12
Cu 0,42 0,62 0,8 0,84 0,78 0,67 0,23 0,23 0,23 0,72 0,72 0,82 0,72
Cd 0,05 0,05 0,06 0,027 0,045 0,037 0,06 0,027 0,027 0,05 0,05 0,06 0,06
Zn 0,13 0,099 0,08 0,037 0,037 0,046 0,08 0,08 0,08 0,06 0,13 0,06 0,12
Pb 0,42 0,026 0,02 0,02 0,023 0,018 0,02 0,018 0,02 0,02 0,023 0,02 0,023
Анализ данных показал, что все растения активно концентрировали железо. Наименьшие уровни накопления установлены для кадмия. У всех экологических групп растений повышенное содержание цинка в воде вызывало снижение концентрации кадмия в тканях.
Таким образом, исследования показали, что растения, принадлежащие к различным экологическим группам, обладают различной накопительной способностью по отношению к тяжелым металлам. Так, максимальное количество металлов накапливалось в тканях погруженных растений и при реализации фи-тотехнологий очистки следует предпочтение отдавать погруженным растениям. В зависимости от объема сточных вод, очистка может быть реализована в биопрудах, биоплато и фитофильтрах.
Литература
1. А.Г. Мелихин, И.С. Щукин, Вестник ПНИПУ. Строительство и архитектура, 2, 40-52 (2013).
2. С.С. Тимофеева, Д.В. Ульрих, Вода Magazine, 6(82), 3640, (2014).
3. С.С. Тимофеева, С.С. Тимофеев, Вода Magazirn, 10(50), 56- 62 (2011).
4. С.С. Тимофеева, Г.Д. Русецкая, Водные ресурсы, 4, 187194 (1989).
5. С.С. Тимофеева, А.М. Бейм, Водные ресурсы, 1, 89 -91 (1992).
6. С.С. Тимофеева, С.С. Тимофеев, С.А. Медведева, Вестник ИрГТУ, 1, 158 -163 (2010).
7. М.В. Вдовина, Л.И. Матус, Е.Э. Нефедьева, К.И. Шай-хиева, Вестник Казанского технологического университета, 17, 8, 192-193 (2014).
8. М.Н. Карагодина, В.П. Мишта, И.Г. Шайхиев, Вестник технол. ун-та, 18, 5, 255-257 (2015).
9. М.Ю. Пучков, В.П. Зволинский, В.В. Новиков, А.И. Кочеткова, Е.Г. Лактионова, Фундаментальные исследования, 6, часть 20, 392-396 (2013).
10. М.В. Жидков, Известия Самарского научного центра РАН, 11, 1(3), 292-294 (2009).
© С. С. Тимофеева - д.т.н., проф., зав. каф. промышленной экологии и безопасности жизнедеятельности Иркутского национального исслед. технич. ун-та, sstimofeeva@mail.ru; Д.В. Ульрих - к.т.н., доц. каф. водоснабжения и водоотведения ЮжноУральского госуд. ун-та, ulrich.dm.25@mail.ru, С.С. Тимофеев - ст. препод. каф. промышленной экологии и безопасности жизнедеятельности Иркутского национального исслед. технич. ун-та, samtim@mail.ru.
© S. S. Timofeeva - PhD, Professor, Head of the Department of Industrial Ecology and safety of Irkutsk National Research Technical University, E-mail: sstimofeeva@mail.ru; D. V. Ulrich - Ph.D., Associate Professor of Water Supply and Sanitation of the South Ural State University, ulrich.dm.25@mail.ru; S. S. Timofeev - senior lecturer of the Department of Industrial Ecology and safety of Irkutsk National Research Technical University, samtim@mail.ru.
