Інтенсивні та екстенсивні біотехнології відновлення якості природних і стічних вод

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний університет водного господарства та природокористування

Інтенсивні та екстенсивні біотехнології відновлення якості природних і стічних вод

Гроховська Ю.Р.

Серед натуралістів панує думка, що 21 століття - це вік біотехнології, як найперспективнішого практичного напрямку біології. Щодо розвитку багатогалузевого дерева прикладної екології, то найактуальнішою галуззю є екологічні біотехнології відновлення якості довкілля, у тому числі екологічного стану водних екосистем. У гідроекосистемах, які насичені біотою, будь-які зміни якості води пов'язані зі станом біоценозів і навпаки, адже за виразом В.І.Вернадського гідросфера "наскрізь пронизана біосферою" [1].

Ідея використання живих організмів для відновлення середовища існування людини не є новою. Вперше погляди про вплив біоти на геологічну структуру висловив Ж.Б. Ламарк ще у 1802 році. Проте, цілісне уявлення про роль біологічних процесів, які у сукупності діють як геохімічний фактор планетарного масштабу обґрунтував В.І. Вернадський у своєму вченні про біосферу. С.А. Зернов у 1949 році, висловив думку про важливу роль гідробіології як "агрономії" водного середовища [2].

Наслідком екологічного закону розвитку природної системи за рахунок навколишнього середовища є констатація факту, що абсолютно безвідходне виробництво неможливе. Протягом усього періоду інтенсивного промислового і сільськогосподарського використання природних ресурсів людина експлуатувала здатність живих організмів до відновлення необхідних для життя людства якісних та кількісних показників довкілля, порушених у результаті господарської діяльності. Самоочищення води від забруднень антропогенного походження забезпечують у тій чи іншій мірі всі представники біоти порушених водних екосистем; очищення повітря промислових центрів від отруйних летких речовин, які викидаються підприємствами, вихлопних газів автотранспорту найкраще виконує деревна рослинність; покращення екологічного стану ґрунтів і відновлення родючості теж відбувається лише за участю живих організмів. Навіть лікувальне очищення організму людини неможливе без правильно підібраної екологічно чистої та збалансованої за вмістом білків дієти і фітотерапії. Отже, якість життя окремої людини і саме існування людства безпосередньо залежать від того, наскільки ефективно біоценози або їх продукція компенсуватимуть порушення екологічної рівноваги, спричинені господарською діяльністю.

Забруднення поверхневих вод продуктами життєдіяльності суспільства призвело до їх катастрофічного екологічного стану. Численні дослідження науковців показали, що однією з основних причин забруднення поверхневих вод України є скид неочищених та не досить очищених стічних вод комунально-побутових і промислових підприємств безпосередньо у водні об'єкти та через систему міської каналізації. Існуючі технології водоочищення, впроваджені на вітчизняних спорудах обробки води, є застарілими та характеризуються низькою ефективністю роботи. Неабияку роль у формуванні катастрофічного стану наших водойм відіграє низька екологічна культура суспільства та широко розповсюджене явище корупції: деякі можновладці отримують чималі гроші від підприємств за замовчування інформації про неналежний стан очисних споруд, перевищення нормативів ГДС тощо. Загалом, причини скиду у водні об'єкти стічних вод неналежної якості можна розділити на три групи: соціальні, технічні і біологічні (рис. 1).

Планування господарської діяльності та структури ландшафтів поверхні водозбору становлять одну частину шляху вирішення проблеми відновлення водних екосистем. Не менш важливою ділянкою роботи є стимулювання процесів самоочищення, які відбуваються у водних об'єктах нижче точкових джерел забруднення.

Процес самоочищення водних об'єктів краще досліджувати і оцінювати у проточних системах. Тут відбувається просторове переміщення забруднених водних мас через послідовний ряд угруповань організмів, які забезпечують самоочищення, а відома швидкість течії робить можливим розрахунок тривалості цього процесу [1].

Рис. 1. Класифікація проблем очищення стічних вод (CB) в Україні (БОС - біологічні очисні споруди)

Метою роботи було визначення теоретичних основ біотехнології відновлення якості стічних вод, які пройшли попередню очистку, але не набули належних кондицій якості і забруднюють поверхневі води (водойми та водотоки), на основі аналізу наукових джерел і власних розробок.

Спектр забруднюючих речовин, які скидаються у водні об'єкти зі стічними водами промислових, сільськогосподарських та комунальних підприємств, надзвичайно широкий - сульфати, хлориди, біогенні і органічні речовини, важкі метали, радіонукліди і ін. Значну частину забруднень мінералізує, відфільтровує і акумулює у собі біота водних об'єктів, відновлюючи якість природних вод.

Отже, процеси біологічного доочищення стічних вод, або відновлення якості води антропогенно трансформованих природних водних об'єктів можна умовно розділити на два типи: екстенсивні і інтенсивні. Більшість водойм та водотоків використовуються як приймачі неочищених, або недостатньо очищених стоків і, таким чином, гідробіоценози виявляються залученими до здійснення найпростішого екстенсивного процесу відновлення якості вод - природного самоочищення. У випадку точкового забруднення річки органічними речовинами цей процес проявляється, як послідовне (у напрямку течії) формування біоценозів від полісапробної до мезо- і олігосапробної зон із відповідним видовим складом гідробіоценозів [3]. Створення біоставів (біоплато, ботанічних майданчиків, ветлендів) для очищення стічних вод - це теж екстенсивний шлях, оскільки потребує додаткових земельних площ і процес залишається мало керованим.

Інтенсивний процес відновлення - це керований процес при якому виключена залежність результатів очищення води від абіотичних умов (температури води і повітря, освітлення тощо), окрім енергетичного забезпечення. вода самоочищення інтенсифікація біологічний

Інтенсифікація передбачає оптимальне концентрування біомаси очисних організмів на одиницю площі або об'єму та створення для них необхідних умов (оптимальні температура та кисневий режим, проточність, видалення надлишкової біомаси) для досягнення найкращих показників якості очищеної води. Інтенсифікація передбачає впровадження ряду заходів:

- еколого-біологічні: правильний підбір видів для створення стійкої екосистеми з урахуванням міжвидових відносин у штучному угрупованні, забезпечення адаптації культур організмів до умов концентрованих стоків з метою зменшення і уникнення стресу (селекція і штучний відбір у культивованих популяціях);

- технічні: створення закритих систем; забезпечення додаткового освітлення і аерації; розмежування у просторі певних процесів формуванням каскаду водойм; періодичне осушення водойм для видалення решток та аерації ґрунту ложа; автоматизація процесів розділення і очищення; диференціація екологічних ніш шляхом конструктивних змін поверхні дна, використання різноманітних інертних субстратів та носіїв (вії, керамзит тощо);

- господарсько-економічні: переробка нетоксичних компонентів (розчинених та нерозчинених органічних і мінеральних речовин) стічних вод з метою отримання корисної продукції (корми для риб і інших сільськогосподарських тварин, органічні добрива). Природним наслідком засвоєння поживних речовин, - компонентів стічних вод, є зростання чисельності і біомаси популяцій гідробіонтів, які залучені до процесу очищення. Окремі з них мають ресурсне значення і штучно культивуються для кормового використання у рибництві (олігохети, гіллястовусі ракоподібні і ін.), для потреб біотестування стічних і природних вод тощо [4].

Періодичне спускання води з водойм каскаду полегшує процедуру викошування та посадки вищої водної рослинності. Для видалення біогенних елементів з донних відкладень можлива посадка швидкорослих наземних рослин - акумуляторів мікроелементів.

За аналогією з особливостями конструкції і розташуванням у просторі біореакторів [4] системи доочищення можна умовно розділити на 3 групи.

Відкриті системи, побудовані на основі природних водойм (стави, лагуни) і найпростіших обвалувань. Аерація та перемішування води може здійснюватись широким спектром технічних пристроїв (імпелери, лопатеві та пневматичні аератори тощо). Проте, можливості регулювання і оптимізації інших параметрів середовища (особливо освітленості і температури води) значно обмежені. Недостатня освітленість вже на глибині 20-25 см обмежує розвиток фототрофних організмів. До недоліків відкритих систем можна віднести забруднення повітря леткими речовинами, фільтрація токсикантів у підземні води і випаровування води. Крім того, для створення відкритих систем необхідні значні площі земель, які біля міст і інших населених пунктів мають високу вартість.

Відкриті системи, побудовані з різних матеріалів (бетон, плівка, пластик, дерево, кераміка тощо) у вигляді басейнів, лотків, каскадів різної форми і розмірів розташовані під відкритим небом. Це слабко регульовані системи. У оранжереях (відносно регульованих системах) регулюється швидкість перемішування вод, частково ? температура води і повітря, можливе встановлення додаткового освітлення.

Створення відкритих систем біологічного доочищення комунально-побутових стічних вод особливо доцільне для Південного берегу Криму, який характеризується м'яким кліматом. Такі системи забезпечать видалення полютантів зі стічних вод улітку, саме під час максимального навантаженням на очисні споруди.

Закриті системи забезпечують контроль і регуляцію більшості параметрів, ефективне використання площ (можливість утворення вертикальних каскадів) та оптимальну освітленість. Закриті системи дають можливість цілорічного вирощування тропічних видів, які не мають сезонних явищ росту та розмноженні [5].

Єдиний шлях вирішення існуючих екологічних проблем - регулювання техногенного кругообігу речовин і енергії у штучних системах (підприємство ? водоочисні споруди) за прикладом природних екосистем без накопичення відходів у трофічних ланцюгах біоценозів, - цілеспрямоване культивування гідробіонтів для очищення прісної води, джерелом якої є забруднені поверхневі води. Матеріалом для створення таких біоценозів має служити природна рослинність і тваринний світ, адаптований до забруднень (у т.ч. рослини з інших природних зон, які використовуються у системах біологічного очищення води, наприклад, водяний гіацинт ? ейхорнія (Eichhornia crassipes). Біомаса гідробіонтів - агентів самоочищення містить усі ферментні системи, необхідні для деградації забруднень, які слід видалити. Весь процес доочищення можна представити як безперервну ферментацію із подачею сировини у вигляді різноманітних забруднюючих речовин.

Потрібно розробити рекомендації для технічних працівників, які займатимуться експлуатацією: описи видів, особливості розмноження і утримання у холодний період року (методичні рекомендації) тощо.

Таким чином, для відновлення якості поверхневих вод у промислово-біоценотичних системах потрібно:

- визначити стійкі до забруднення види, які ефективно очищують воду від домішок і сформувати штучні біоценози з максимальною кількістю видів, включаючи вищі трофічні рівні екологічної піраміди, основою якої є органічні забруднення (олігохет, нижчих ракоподібних, молюсків і т.д.)

- встановити, які площа чи об'єм потрібні для ефективного очищення, та залишити можливість для розширення очисних споруд, залежно від зміни потужності виробництва (технічні рішення).

Завдання біологів і екологів - встановлення видів організмів, які можуть жити в умовах забруднення, їх екологію та можливості; сформувати структуру біоценозу доочищення та дати прогноз динаміки розвитку окремих популяцій з метою ефективного регулювання їх чисельності. Невичерпним джерелом таких досліджень можуть стати техногенно трансформовані водні екосистеми з рудеральними фітоценозами і угрупованнями деструкторів та фільтраторів. Проте, відразу потрібно орієнтуватися на формування угруповань організмів, які спільно відновлюють якість води.

Біотехнологічний процес очищення води складається з кількох етапів:

- початкова обробка: фільтрація і відстоювання, попередня аерація;

- біотрансформація (ферментація): ріст гідробіонтів - агентів самоочищення у біореакторі або біоплато із засвоєнням та накопиченням у біомасі біогенних елементів, токсикантів, мінералізацією органічних речовин тощо;

- кінцева обробка: видалення відпрацьованої біомаси гідробіонтів, які залучені до процесу очищення, з подальшим захороненням (для токсичних сполук) або використанням у сільському господарстві (корм для свійських тварин, органічне добриво тощо).

Метою біотехнологічних досліджень є максимальне підвищення ефективності кожного з цих етапів і пошук організмів, за допомогою яких можна отримати бажану якість очищення води.

Теоретично найкращою реалізацією моделі протидії впливу фактора забруднення у системі обробки води за принципом градієнтів є біоконвейєр [5]. Цей метод передбачає утворення просторової сукцесії організмів, яка формується у процесі очищення води і передбачає вільне переміщення рухомих організмів до оптимальних умов. Кожен організм у біоконвейєрі має певну реакцію на екологічні умови, які складаються у очисній споруді. Згідно принципу екологічної толерантності ця реакція описується кривою нормального розподілу, у якій є критичні точки, зона песимуму, комфорту і оптимуму. Відносно крупні тварини мігрують до кращих умов, дрібні - переносяться потоком води (у т.ч. цисти і яйця). Рослини мають пригнічений або нормальний вигляд. Враховуючи багатокомпонентність забруднень стічних вод, сукупний та індивідуальний вплив забруднюючих речовин і видові особливості реакцій організмів, вивчення діапазону екологічної толерантності гідробіонтів біоконвейєра відкриває широке поле для досліджень у галузі відновної гідроекології. Але уже зараз можна стверджувати, що основу біоценозів складатимуть еврибіонти з толерантністю щодо широкого спектру полютантів.

Висновки. Забруднення стічними водами водних екосистем до рівня їх деградації вимагає широкого впровадження біотехнологій відновлення якості води на очисних спорудах промислових і комунально-побутових підприємств. Розробка і впровадження біотехнологій є багатоетапним процесом, який вимагає дослідження структурно-функціональних показників гідробіоценозів природних водойм, забруднених стічними водами; встановлення еколого-біологічних особливостей видів, які найкраще очищують воду від домішок, розробку методів їх культивування, а також досвіду спеціалістів технічного профілю для апаратного забезпечення технології.

Література

1. Вернадский В.И. Химическая природа биосферы Земли и её окружения. - М.: Наука, 1965. - 374 с.

2. Зернов С.А. Общая гидробиология. - М. Биомедгиз, 1949. - 567 с.

3. Романенко В.Д. Основы гидроэкологии. - К.: Генеза, 2004. - 664 с.

4. Биотехнология культивирования гидробионтов/ Романенко В.Д., Крот Ю.Г., Сиренко Л.А., Соломатина В.Д.: Институт гидробиологии НАНУ. - Киев, 1999. - 264 с.

5. Гроховська Ю.Р., Кононцев С.В. Теоретичні основи цілолорічного культивування макрофітів з метою доочищення стічних вод у закритих системах//Вісник НУВГП. - вип.3, 2005 - С. 264-269.

6. Гвоздяк П.І. За принципом біоконвейєра (біотехнологія охорони довкілля)// Вісник НАНУ. - 2003, № 3. - С. 29 - 36.

Анотація

Представлено теоретичну основу екологічних біотехнологій відновлення якості природних і стічних вод. Визначено напрямки подальших експериментальних досліджень щодо інтенсифікації процесів біологічної обробки води

Theoretical basis of ecological biotechnology of improvement in quality of natural and sewage waters is presented. Directions of subsequent experimental researches are determined in relation to intensification of processes of biological purification of water

Размещено на Allbest.ru