книги / Растения как средство очистки олиготрофных сточных и природных вод

123

учёта транспирации. Транспирация из принятого транспирационного коэффициента составит 1 дм3 с площади 1 дм2 за 100 суток или 0,0005 дм3 из 1 дм3 воды в сутки, то есть, 0,05 % в сутки. Соответственно на такую же величину возрастёт концентрация солей, что в точности равно количеству солей, поглощённых растениями. Таким об­ разом, видимый (наблюдаемый) эффект изменения концентрации будет равен нулю, то есть исходная концентрация солей не изменится. При этом необходимо учесть, что принятая величина транспирации относится к области минимальных её значе­ ний для растений.

Даже если принять во внимание возможность полной компенсации транспирационных потерь дождевой водой, то за 100 дней убыль концентрации солей соста­ вит 5% от исходного, или 100 мг/дм3. Никакого практического значения такая убыль солей не имеет.

Таким образом, теоретический расчет так же, как и экспериментальные дан­ ные, свидетельствует, что способность растений поглощать соли не может иметь существенного значения в качестве средства снижения общей концентрации солей в очищаемой воде.

Снижение общей концентрации солей в присутствии корневых систем представляет собой результат двух одновременно протекающих процессов: активного поглоще­ ния солей растениями и перехода части солей в нерастворимую форму в результате различных физико-химических и, возможно, микробиологических процессов. Доля растений в общем снижении концентрации определяется условиями культивирова­ ния и может быть близкой к 100 % в устойчивых мало концентрированных соле­ вых растворах и падать практически до 0 % в концентрированных растворах, не на­ ходящихся в физико-химическом равновесии.

3.7.Влияние растений на концентрацию фосфатов

3.7.1.Опыты с ивой

Вкачестве растительного объекта использовали иву остролистную 8аИх асиН- /оНа (а1Ьа). Растения культивировали в стеклянных сосудах вместимостью 280 см3, оборудованных в соответствии с рис.3.1. Расход воздуха в системе непрерывной

циркуляции воды составлял 60±20 см3/мин на каждый сосуд. Освещение осуществ­ ляли круглосуточно лампами дневного света с интенсивностью 4-5 тыс.лк. Сосуды имели систему автоматической компенсации испарения дистиллированной водой.

Черенки ивы длиной 30 см, срезанные 15 января, окореняли в количестве 30 штук в водопроводной воде в течение 2-х недель. 16 черенков, имеющих приблизи- -тельно одинаковый уровень развития, после окоренения использовали в 4-х вари­ антном эксперименте. В первом варианте (условное обозначение «0») средой куль­ тивирования служила отстоянная водопроводная вода. Во втором, третьем и чет­ вёртом вариантах использовали питательную среду Хогланда-Снайдерса (табл.3.3) в дозировке соответственно 1/4,1/2 и 1 от полной нормы. В вариантах 0 и 1/4 среды заменяли 1 раз в неделю, в вариантах 1/2 и 1 - раз в две недели. Повторность в каж­ дом 4-кратная по одному растению на сосуд. Еженедельно в каждом сосуде измеря­ ли концентрацию фосфора фосфатов и общую концентрацию солей по методике п.3.6.

Фосфор определяли по методике А.Т. Кирсанова [241], основанной на способ­

Интенсивность окраски пропорциональна концентрации фосфора и может быть оп­ ределена колориметрически.

Молибденовый реактив готовили растворением в 100 см3 горячей дистилли­ рованной воды 10 г химически чистого молибденовокислого аммония с последую­ щим добавлением после остывания 200 см3 крепкой НС1 (плотностью 1,19) и 100 см3 дистиллированной воды. Реактив хранили в тёмной склянке в холодильнике.

Анализируемую пробу из сосуда с растением, отмеренную точно в объёме 5 см3, помещали в пробирку с последующим введением молибденового реактива. По­ сле перемешивания оловянной палочкой в течение 1 мин пробу колориметрировали в фотоэлектрическом колориметре КФК-2 в кювете с толщиной просвечиваемого слоя 10 мм при красном светофильтре (1=670 нм). Прибор предварительно градуи­ ровали с использованием эталонных растворов.

Определяли фактическую исходную (С0) и конечную (С,) концентрации фос­ фора в каждом сосуде с растением и в контрольных сосудах без растений. Результа­ ты измерений обрабатывали по схеме п.3.6.

На основании проведённых измерений были рассчитаны величины полного суточного снижения концентрации фосфора и суточного снижения, обусловленного активным поглощением растениями (табл.3.10).

Вводопроводной воде с исходным содержанием фосфора порядка нескольких сотых долей миллиграмма на литр достоверного изменения концентрации не уста­ новлено. В основном зарегистрировано небольшое повышение концентрации в среднем на 0,014 мг/дм3 Это можно объяснить диффузией фосфора из тканей че­ ренков в сильно разбавленный окружающий раствор. В ходе эксперимента диффу­ зия снижается и к концу опытов регистрируется небольшое снижение концентра­ ции, обусловленное возрастанием поглощающего эффекта развивающихся корне­ вых систем.

Ввариантах с высокими исходными концентрациями фосфора наблюдается достоверное его снижение. При увеличении исходной концентрации с 9 до 35 мг/дм3 среднесуточное снижение увеличивается с 1 до 2,6 мг/дм3 сут., то есть со­ ставляет величину около 10 % в сутки, а при исходном содержании 18 мг/дм3 - при­ мерно 2 %.

Наблюдение за общим поглощением солей растениями показало (табл.3.11), что солепоглощение имеет тенденцию к росту в ходе опыта, составив в среднем

26,7±8,1 мг/дм3 сут., что в несколько раз превышает величину, полученную в преды­ дущих экспериментах (см.п.3.6.2). Это объясняется различием объёмов эксперимен­ тальных сосудов. Если принять, что внекорневое снижение концентрации солей не зависит от объёма сосуда и в данном случае составляет такую же величину, что и в предыдущих экспериментах, равную 11,7 мг/дм3 сут, то доля растений в опытах с ивой составляет 69 % от общего снижения солей. Абсолютное солепоглощение рас­ тениями с увеличением С0 с 500 до 2200 мг/дм3 увеличивается с 15 до 42 мг/дм3'сут, а относительное падает с 3 до 1,6ч-1,9 % в сутки.

Таблица 3.10.

Скорость снижение концентрации фосфора в опыте с ивой, мг/дм3 сут

Таблица 3.11

Скорость поглощения солей окоренившимися черенками ивы, мг/дм сут

3.7.2. Опыты с томатом

Растительным объектом являлся томат Ысорешсоп езсикШит МИ1, сорт «Талалихинский». Размеры и конструкция вегетационных сосудов были такими же, как и в опытах с ивой (п.3.7.1). Семена, замоченные 25 октября, первые 12 дней прора­ щивали на среде Хогланда-Снайдерса. 16 проростков примерно с одинаковым уров­

нем развития были перенесены по одному в 16 вегетационных сосудов, в которых был проведён 4-вариантный эксперимент с анализом поглощения фосфатов и сни­ жения общей концентрации солей. Исходная высота проростков составила 5±1 см, длина корней 3±0,5 см.

Основой для приготовления питательных сред являлись натуральные сточные воды керамического и гальванического производства. Сточные воды указанных производств формируются на основе потребляемой водопроводной воды, проходя­ щей через соответствующие технологические циклы.

Сточная вода керамического производства поступает на очистные сооружения

сучастка мокрого дробления и подготовки сырья для изготовления керамических изделий различного назначения. Основным загрязняющим ингредиентом является тонкодисперсная белая глина в концентрации до 3 г/дм3 Основной ионный состав соответствует ионному составу водопроводной воды при рН 7,5-9,0. Вода предвари­ тельно накапливается в усреднителе и затем осветляется с применением полиакри­ ламида в вертикальных отстойниках. Для проведения экспериментов использовали воду после очистных сооружений с концентрацией взвешенных веществ в пределах 100-200 мг/дм3

Сточная вода гальванического производства была загрязнена ионами металлов и подвергалась очистке на очистных сооружениях методом восстановления раство­ римых сульфатов сульфатвосстанавливающими бактериями в анаэробных условиях до нерастворимых сульфидов с их последующим осаждением в отстойнике. При по­ ступлении на биологическую очистку сток при необходимости нейтрализуется и подпитывается фосфорными и аммонийными солями. Состав стоков в соответствии

стехнологическим регламентом представлен в табл.3.12.

Таблица 3.12

Характеристика стоков электротехнического завода

127

В экспериментах использовали сточную воду из резервуаров-приёмников во­ ды, прошедшей заводскую очистку. В вегетационные сосуды первого варианта (ус­ ловное обозначение «И») заливали сточную воду керамического производства без добавления питательных солей с заменой 1 раз в неделю. Во втором варианте (И2) использовали эту же воду с добавлением питательных солей в количестве, соответ­ ствующем двойной норме среды Хогланда-Снайдерса. Замену среды осуществляли 1 раз в месяц. В третьем варианте (Э) использовали сточную воду гальванического производства без добавок с еженедельной заменой. В четвёртом варианте (Э1) в сточную воду добавляли питательные соли в количестве, соответствующем нор­ мальной среде Хогланда-Снайдерса. Изменение концентрации фосфора определили в конце первого месяца культивирования. Общую концентрацию солей измеряли еженедельно.

Общее суточное снижение концентрации фосфора полностью коррелировало с исходной концентрацией и находилось в пределах 0,041ч-1,55 мг/дм3‘сут. (табл.3.13). Скорость поглощения растениями находилась в пределах 0,0057-г0,24 мг/дм3 сут., что составляло 14ч-18% от общего снижения. Суточная эффективность удаления фосфора находилась в обратной зависимости от исходной концентрации и состав­ ляла 2,5ч-6,8 % в сутки. Растения при этом поглощали в сутки от 0,4 до 1,1 % от ис­ ходного количества фосфора.

Таблица 3.13

Изменение концентрации фосфора в водной культуре томата, мг/дм3

* - Н0 - различие между С0 и С{ недостоверно, Н г различие между С0 и С* досто­ верно

Транспирация и испарение уменьшают объём воды в каждом сосуде на не­ сколько процентов, следовательно, без подпитки дистиллированной водой сниже-

129

от исходной концентрации в сутки. Без компенсации испарения добавкой дистилли­ рованной воды убыль общей концентрации солей может не наблюдаться.

2. Основные закономерности снижения концентрации фосфора не отличаются от закономерностей снижения общей концентрации солей. Концентрация фосфора также снижается как в результате активного поглощения растениями, так и в ре­ зультате пассивных физико-химических процессов, доля которых близка к 100 % при высоких концентрациях (десятки мг/дм3) и не превышает нескольких % при низких концентрациях (десятые доли мг/дм3).

3. Поглощение фосфора растениями растёт по абсолютной величине с увеличением исходной концентрации и обычно не превышает 1 мг/дм3 сут. Относительная ско­ рость при этом падает практически до 0 с максимального значения 10 % в сутки при низких исходных концентрациях, не превышающих нескольких мг/дм3 4. Поскольку относительная скорость поглощения фосфора может быть на порядок

выше, чем скорость общего поглощения солей, это может иметь в некоторых случа­ ях практическое значение при очистке воды, загрязнённой фосфатами.

3.8. Разработка системы дополнительного питания растений

Для эффективного использования растений в промышленных масштабах важ­ но обеспечить максимально быстрый рост и развитие растений, особенно их корне­ вых систем. Но многие типы сточных вод не позволяют быстро и эффективно на­ растить большую корневую поверхность из-за очень низкого, иногда почти нулево­ го, содержания важнейших питательных элементов, прежде всего азота и фосфора. В природе можно встретить растения, способные питаться очень бедными раство­ рами вплоть до получения питания целиком из атмосферных осадков [368]. Но чис­ ло таких видов невелико и скорость их роста очень мала. К тому же нет данных об их способности культивироваться в условиях водоочистки. В связи с этим необхо­ димо найти способ эффективного питания растений вне зависимости от питатель­ ных свойств очищаемой воды. Введение недостающих питательных элементов в очищаемую воду недопустимо, поскольку это эквивалентно загрязнению воды био­ генными элементами.

Хорошо известен и изучен метод внекорневой подкормки растений, суть ко­ торого сводится к смачиванию листовой поверхности растворами с недостающими элементами [178]. Использование этого метода в технологии очистки воды невоз­ можно по нескольким причинам. В массовом производстве он реализуется путём опрыскивания растений, что снижает эффективность использования раствора, а главное - приводит к попаданию питательных элементов в воду. Существенно по­ высить коэффициент использования питательной среды и снизить возможность за­ грязнения воды можно путём протирания листьев питательным раствором. Но такой приём является трудоёмким и не может быть применён в производственных услови­ ях. Во-вторых, внекорневая подкормка пригодна только для введения в растения микроэлементов, поскольку поверхность зелёных частей растений не в состоянии поглощать большое количество макроэлементов.

Существует также метод питания растений одновременно несколькими пита­ тельными растворами при погружении в них различных частей одной корневой сис­ темы [9, 97]. До настоящего времени этот метод использовался только как метод экспериментального изучения физиологии минерального питания, транспорта и распределения элементов между различными частями растения. Данных по исполь­ зованию такого метода для решения практических задач получения растительной продукции в литературных источниках не обнаружено. Целью настоящего исследо­ вания явилось изучение возможности применения системы двойного независимого питания растений в технологических процессах очистки воды. В предлагаемой сис­ теме питания нехватку некоторых элементов в очищаемой воде предполагается ком­ пенсировать погружением части корней в дополнительную ёмкость с питательным раствором.

Были проведены две серии экспериментов с использованием двух различных видов растений, достаточно хорошо адаптированных к условиям водной культуры. В первой серии использовали тополь чёрный РориЫз т§га Ь. Однолетний черенок длиной 36 см, срезанный в апреле, окореняли в сосуде с периодически заменяемой водопроводной водой в течение 2 недель. После достижения корнями длины 10-15 см черенок был переведён на систему двойного питания, состоящую из 2 располо­ женных вплотную друг к другу стеклянных цилиндров вместимостью 300 см3 каж­ дый. Корни черенка были распределены между двумя цилиндрами примерно поров­ ну по количеству и степени развития. Каждый цилиндр был оборудован системой аэрации и Циркуляции воды в соответствии с рис.3.1. Освещение осуществляли круглосуточно люминесцентньми лампами с интенсивностью 4 тыс.лк. Первый из двух цилиндров предназначался для питания водопроводной водой (бедная среда), второй - для питания специально приготовленным питательным раствором (богатая среда). Соотношение между основными элементами богатой среды (Ы, Р, К, Са, М§) соответствовало среде Хогланда-Снайдерса [231]. Среды заменяли в обоих цилинд­ рах синхронно с периодами замены от 4-х до 17 суток. Испарение компенсировалась автоматической подачей дистиллированной воды.

Помимо экспериментальных сосудов с корнями, водопроводную воду и пита­ тельную срёду заливали также в два контрольных цилиндра без растений. При каж­ дой замене |сред измеряли конечное и исходное значение рН и общую концентра­ цию солей. Исходная общая концентрация солей в водопроводной воде находилась в пределах 170-400 мг/дм3, рН 7,1-7,9; для питательной среды, соответственно, 6201350 мг/дм3 и 6,0-6,6. Общая продолжительность вегетации составила 4 месяца. В первый мескц в оба цилиндра заливали только водопроводную воду. Степень разви­ тия корневйх систем оценивали ежемесячно по адгезионной способности.

При Планировании второй серии экспериментов было учтено, что в промыш­ ленных очистных сооружениях объём дополнительной подпитывающей системы должен бьгЦ> значительно меньше, чем объём самого очистного сооружения. Поэто­ му объём дополнительных питающих сосудов составлял 1/15 часть объёма основных сосудов с Очищаемой водой. Объектом исследования являлось комнатное декора­ тивное растений зебрина висячая 2еЬгта реп<1и1а 8сНпЫ. Несколько побегов расте­ ния, выращиваемого в горшечной культуре, были разрезаны на 40 одинаковых че­ ренков. Каждый черенок имел 1 узел с листом. Средняя сырая масса черенков со­ ставляла 1,2±0,15 г. Черенки окореняли в сосуде с отстоянной водопроводной водой в течение недели. После окоренения 16 относительно равных по развитию черенков использовали в 3-вариантном эксперименте:

1 вариант - двойное питание бедной и богатой питательными средами, 2 вариант - питание только богатой питательной средой, 3 вариант - питание только бедной средой.

Схема первого варианта с двойным питанием представлена на рис.3.21. От по­ ловины до 2/3 имеющихся корней каждого черенка размещали в основном сосуде вместимостью 300 см3 с бедной питательной средой, которой служила водопровод­ ная вода. Остальные корни погружали в дополнительный сосуд вместимостью 20 см3, расположенный вплотную к основному. Вода в основном сосуде непрерывно аэрировалась и циркулировала,

как показано стрелками. Испарение автоматически компенсировалось дистиллиро­ ванной водой. Через дополнительные сосуды постоянно прокачивалась питательная среда (табл.3.3, 3.4) с концентрацией солей 1/2 от номинала. Объём среды составлял 300 см3 на каждый дополнительный сосуд, скорость циркуляции - 300 см3/ч. Испа­ рение компенсировали периодической добавкой дистиллированной воды.

Каждое растение второго варианта культивировали в сосуде, конструкция ко­ торого полностью соответствовала основному сосуду первого варианта. Питательная среда по составу была полностью идентична питательной среде первого варианта.

Третий вариант был представлен также только набором основных сосудов, в которых средой служила водопроводная вода.

Количество растений (сосудов) в каждом варианте - 5. Замену сред осуществ­ ляли 1 раз в месяц с измерением исходного содержания солей и рН в каждом сосуде. Еженедельно контролировали изменение этих показателей в каждом сосуде и в сис­ теме дополнительного питания первого варианта. Периодически измеряли суточную транспирацию каждого растения при отключённой системе компенсации испарения. При этом учитывали испарение в контрольном сосуде без растения. Ежемесячно оценивали степень развития корневых систем по адгезионной способности. После окончания 3-месячного культивирования измеряли сырую и сухую массу зелёной части каждого растения и его корневой системы после предварительной отмывки от дисперсных примесей и удаления избытка влаги фильтровальной бумагой. Стати­ стическую обработку результатов проводили для уровня значимости 0,05.

3.8.1. Развитие тополя при питании одновременно из двух растворов

Наблюдение за развитием обеих частей корневой системы показало, что разли­ чия в их морфологии начали проявляться примерно через месяц культивирования на различных средах с увеличением различий в дальнейшем. В бедной среде корни ветвились меньше, имели меньший диаметр, но обладали заметно более высокой скоростью роста в длину. К концу эксперимента длина некоторых корней достигала 40 см (рис.3.22) при глубине сосуда 30 см. Количество корней в богатой среде было заметно большим, они были более толстыми, чаще ветвились, но медленно росли в длину и их конечный размер не превышал 20-25 см. Визуально целом эта часть кор­ невой системы выглядела несколько более массивной и заметно более густой.

По мере роста корней в начальном периоде вегетации быстро увеличивалась и адгезионная способность (рис.3.23). Существенных различий по этому показатель между двумя частями корневой системы не наблюдалось, что можно рассматривать как свидетельство примерного равенства общей поверхности каждой части при су­ щественном различии морфологических признаков.

Невысокая точность измерения концентрации солей не позволяла в ходе экс­ перимента проследить за динамикой изменения солепоглощающей способности корней, но полученные в результате статистической обработки данные показали, что среднесуточное снижение концентрации солей в сосуде с бедной средой составило

5,6±2,8 мг/дм3 сут, при соответствующем показателе в контрольном сосуде 3,7±3,3 мг/дм3,сут (15 измерений).