книги / Растения как средство очистки олиготрофных сточных и природных вод

солютной и удельной поверхности. Однако при совместном использовании растение с прочными корнями могут служить опорой для слабых корней другого вида, по­ тенциальная возможность которого, таким образом, реализуется в водоочищающем эффекте. Другой полезный вариант сочетания разных видов может заключаться в использовании растений с разноярусными корневыми системами, интенсивно вет­ вящимися на разных глубинах, что обеспечит эффективное использование всего объёма. В свою очередь, при искусственном сочетании разных видов может про­ явиться биологическая несовместимость (антибиоз). Для проверки перечисленных возможных эффектов был поставлен описанный ниже эксперимент с культивирова­ нием нескольких видов в одном сосуде.

Опыт проводили в большом сосуде из органического стекла с горизонтальным поперечным сечением 25525 см и глубиной 80 см. Использовали вариант с незави­ симым дополнительным питанием всех растений, участвующих в эксперименте. Для этого внутри основного сосуда разместили дополнительный питающий сосуд в виде лотка с верхним горизонтальным сечением 11520 см, глубиной 6 см и вмести­ мостью 1,1 дм3 Дополнительный сосуд служил для размещения питательного рас­ твора, в который погружали часть корней каждого растения. В основном сосуде по­ стоянно находилась периодически заменяемая водопроводная вода. Основной сосуд имел аэролифтную систему аэрации и циркуляции в соответствии со схемой рис.3.1 с расходом воздуха «0,5 дм3/мин. Примерная средняя скорость нисходящего потока в основном сосуде составляла около 1мм/с. Дополнительный сосуд также постоянно аэрировали с расходом воздуха <50 см3/мин. Оба сосуда были оборудованы систе­ мами автоматической подпитки водопроводной водой для компенсации испарения.

Время начала эксперимента 24 декабря. Исследовали 9 видов растений (табл.3.1): бальзамин(П), гибискус(27), дифенбахия(35), калисия(Зб), крапива(61), рэо(120), тополь(141), инжир(151), циперус(162), из которых 7 видов обладали эф­ фективностью окоренения и развития корней в соответствии с табл.3.1 не ниже 4 баллов. Дифенбахия и тополь при быстром росте, но низкой адгезионной способно­ сти имели оценку 2 балла. Первоначально черенок каждого из указанных видов окореняли в основном сосуде до достижения корнями длины 15-20 см, после чего 20-30 % корней перебрасывали в дополнительный сосуд с периодически заменяемым пи­ тательным раствором двойной номинальной концентрации (табл.3.3, 3.4). Освещали растения круглосуточно с подсветкой люминесцентными лампами. Максимальная освещённость днём в солнечную погоду не более 10 тыс.лк, ночью - не более 500 лк.

Все черенки окоренялись и развивались нормально за исключением крапивы и тополя, черенки которых, подсаживаемые к экспериментальной группе в апреле-мае неоднократно, окоренялись, но через 2-3 недели погибали. Бальзамин погиб на третьем месяце культивирования в результате загнивания корней, погружённых в питательный раствор. Вместе с корнями перегнил и участок стебля, от которого эти корни отходили. Ниже расположенный участок с корнями в основном сосуде выгля­ дел нормально. К концу второго года вегетации при хорошем развитии по той же причине погибла и калисия. Оба растения отличались типично мочковатой корневой системой с большим количеством тонких корней.

По мере разрастания корневых систем и заполнении ими объёма сосуда к кон­ цу первого года вегетации в сосуде были оставлены только 4 растения: гибискус, ка­ лисия, рэо и циперус. Средняя скорость роста корней составляла около 0,5 м/мес.

Концентрация солей в питательной среде дополнительного сосуда и в водо­ проводной воде основного сосуда в первые месяцы эксперимента существенно не менялась, испытывая колебания в пределах ошибки измерений (рис.3.27). В пита­ тельном растворе дополнительного сосуда можно отметить небольшое снижение концентрации. В дальнейшем, по мере развития растений, характер изменения кон-

143

центрации солей в растворе и в водопроводной воде стал существенно различаться. После каждой замены питательной среды происходило стабильное снижение кон­ центрации, иногда достаточно резкое. В среднем снижение составляло 50-100 мг/дм3,сут. Редкие случаи возрастания концентрации имеют конкретные причины. Резкое увеличение концентрации в конце 8-го месяца обусловлено тем, что в тече­ ние предшествующей недели в результате поломки микрокомпрессора отсутствова­ ла аэрация, в результате чего растения оказались в стрессовом состоянии. Часть мо­ лодых, активно дышащих корней погибли, что привело к выбросу солей в среду. Увеличению концентрации также способствовало подкисление среды (см.рис.3.27) в результате перегнивания отмерших тканей. Остальные случаи достоверного увели­ чения концентрации могут быть обусловлены переходом в раствор некоторых ком­ понентов осадка после замены старой среды на свежую или в результате специаль­ ной корректировки рН введением КОН в дозе 100-200 мг/дм3 Эти моменты на гра­ фике обозначены буквой «К».

Сильное падение концентрации в конце 11-го месяца обусловлено тем, что в результате некачественного закрытия сливного сифона дополнительного сосуда он оказался в опорожненном состоянии в течение суток. После заливки в него водопро­ водной воды и замера концентрации она не превысила 600 мг/дм3 В результате пе­ ресыхания и гибели питающих корней (на рис.3.27 обозначено *) наблюдался пере­ ход растений частично в угнетённое состояние с отмиранием части корней в основ­ ном сосуде, о чём свидетельствует падение адгезионной способности почти до 60 % на 14-м месяце (нижняя кривая рис.3.27). Гибель корней в питающем растворе под­ тверждается и тем, что в свежезалитой среде наблюдалось не снижение, а некоторое увеличение содержания солей (12-13-й месяцы).

Величина рН в питающем сосуде в первый месяц, также как и солесодержание, существенно не менялась с заметным падением к середине второго месяца с 7,5 до 5,8. В этот момент в результате появления некоторых признаков хлороза в раствор пришлось ввести 4 капли насыщенного раствора РеС1з (-25 мг Ре). После этого зна­ чение рН с 5,0 начало стабильно возрастать на 0,5-1 единицу в неделю. В дальней­ шем железо вводили в среду при каждой замене. С развитием растений появилась определённая закономерность изменения рН. В 1-2-ую недели после замены среды величина рН резко падала, что создавало необходимость её корректировки введени­ ем КОН(К). Особенно резкое падение (3-4 единицы в неделю) наблюдалось в период наиболее быстрого роста (16-20-й месяцы). При длительном культивировании без замены среды величина рН начинала медленно возрастать. В периоды нарушения нормального состояния растений падение рН было не очень большим.

Резких изменений солесодержания в воде основного сосуда не происходило в течение всего периода наблюдений. Заметное уменьшение исходного содержания солей при каждой очередной замене водопроводной воды объясняется переходом от зимней межени к весеннему паводку. Отсутствие видимого снижения концентрации в ходе культивирования можно объяснить постоянным поступлением солей с авто­ матически подаваемой водопроводной водой, компенсирующей испарение. Полное испарение (эвапотранспирация), измеренное на 9-м месяце культивирования, в ос­ новном сосуде составило 0,7 дм3/сут., что соответствует поступлению солей при­ мерно 200 мг/сут., или 4 мг/сут на каждый литр. Эту величину можно принять за скорость поглощения солей растениями, но при этом нужно учесть возможность абиогенного снижения концентрации (п.3.6). Последующее медленное возрастание солесодержания на 10-11-м месяце можно объяснить возрастанием транспирации таким образом, что поступление в сосуд с водой не могло быть компенсировано их поглощением растениями. На втором и третьем году вегетации транспирация в от­ дельные (летние) периоды достигала величин 1,5-2 л/сут.

После стрессового состояния в конце 11-го месяца, вызванного высыханием корней в питающем сосуде, произошло заметное увеличение солесодержания. Это можно рассматривать как результат снижения солепоглощающей способности рас­ тений. Транспирация из основного сосуда в этот период упала до 0,4 дм3/сут.

Величина рН воды в основном сосуде существенно не менялась в течение всего эксперимента и колебалась в среднем в пределах 7,5-8,5. Преобладающее нахожде­ ние рН в области 7-7,5 было характерно для периода возобновления активного раз­ вития на 16-20-м месяце после выхода из стрессового состояния. Выведение из стресса было осуществлено перебросом части верхних корней растений из основно­ го сосуда в питающий {на рис.3.27 обозначено(*)}.

Адгезионная способность была измерена первый раз по истечении 6 месяцев культивиройния и составила 60 %. К 10-му месяцу эта величина превысила 80 %. Затем в результате описанного выше стресса адгезионная способность упала к 14-му месяцу до 62 %. Угнетённое состояние растений внешне выразилось в остановке роста, засыхании части листьев, падении тургора корней, из которых все мелкие по­ висли в воде в строго вертикальном положении. Активный рост показателя А возоб­ новился после переброса новых корней в питающий сосуд. При этом начался быст­ рый рост новых побегов, заметно увеличились размеры и общая поверхность листь­ ев, появилось много новых растущих корней, часть которых хорошо видна на рис.3.28,3.29 (корни белого цвета).

Представленные результаты позволяют заключить, что определённые виды растений могут использоваться совместно в одном сооружении и при использовании системы дополнительного питания обеспечивают относительно быстрое заполнение корневой массой большого объёма и создают достаточно высокий водоочищающий эффект.

4.КОМПЛЕКСНАЯ ОЧИСТКА ВОДЫ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИМИ

ИБИОЛОГИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ

4.1.Очистка от микроэлементов электрохимическим

ибиологическим методами

Для исследования процессов удаления микроэлементов использовали расте­ ния, культивируемые в сосудах большой глубины (п.3.3). К началу экспериментов возраст корневых систем составлял от 5 до 31 месяца. При проведении эксперимен­ тов сосуды с растениями заполняли исходной водопроводной водой с заданными концентрациями введённых микроэлементов. После истечения заданного проме­ жутка времени из сосудов отбирали пробы воды для химического анализа. Одно­ временно с растениями производили очистку в двух стеклянных цилиндрах вмести­ мостью по 1,1 дм3, оборудованных, как и сосуды с растениями, системой аэрации. В первом контрольном сосуде размещали стекловолокнистый ёрш с величиной удель­ ной поверхности 24,2 см2 на каждый см3, обрабатываемой воды. Второй контроль­ ный сосуд не содержал волокнистой загрузки и функционировал при простой аэра­ ции свободного объёма воды. При проведении экспериментов по очистке от взве­ шенных веществ второй контрольный сосуд не аэрировали и вода осветлялась в ре­ жиме отстаивания в покое.

Очистку от микроэлементов проводили в 2 вариантах. В первом варианте вода с микроэлементами без какой-либо предварительной обработки находилась в кон­ такте с растениями 24 часа. Во втором варианте вода контактировала с растениями в течение 4 часов, но перед заливкой в сосуды каждую порцию воды обрабатывали в лабораторном электрокоагуляторе постоянного тока в течение 1 мин при затра­ тах электричества 16,7 Ач/м3. Повторность первого варианта пятикратная, второго - трёхкратная. Микроэлементы вводили в воду в виде соединений, указанных в табл.4.1, из расчёта каждого элемента около 1 мг/дм3 Стронций вводили в концен­ трации 5 мг/дм3 Фактическое исходное и конечное содержание каждого микроэле­ мента определяли методом атомно-абсорбционной спектрофотометрии в химико­ аналитической лаборатории института МНИИЭКОТЭК. Отобранные пробы фильт­ ровали через бумажный фильтр «синяя лента» и консервировали азотной кислотой. В ходе экспериментов контролировали также рН и интенсивность испарения воды в каждом сосуде.

4.1.1. Очистка без предварительной электрообработки

Концентрация микроэлементов в воде после суточной обработки в присутст­ вии корневых систем представлена в табл.4.1. Элементы значительно отличаются по эффективности удаления и могут быть сгруппированы по этому свойству в 4 груп­ пы, различия между которыми являются статистически достоверными. Элементы в табл.4.1 расположены в порядке убывания эффективности очистки. Наиболее эф-

фективно удаляется медь (96%), во вторую группу следует отнести цинк и кад­ мий (85-87 %), в третью - кобальт и марганец, характеризующиеся заметно более низким эффектом удаления (60-65%), и практически не удаляемыми в данных усло­ виях являются хром и стронций (7-10 %). Из приведённых данных следует, что нор­ мативной очистки можно достичь, если концентрация в исходной воде не превыша­ ет: меди 20 ПДК, цинка и кадмия 5-6 ПДК, марганца и кобальта 2ПДК.

Различия усреднённой эффективности очистки по всем элементам, кроме Сг и 8г, у разных видов растений менее существенны, чем различия между элементами. По эффективности очистки растения представляют собой непрерывный ряд от 71,5 до 90,6 % (табл.4.2), в котором достоверно отличаются только члены, стоящие на противоположных концах ряда. Вейник (23), имеющий наиболее высокую эффек­ тивность, имел объём сосуда на 27 % меньше, а фикус (150) и циперус (162) с са­ мой низкой эффективностью - на 13-20 % больше объёма сосудов большинства дру­ гих растений. Из этого следует, что при равных объёмах сосудов разница в эффек­ тах была бы ещё менее существенной и, с учётом доверительных интервалов, прак­ тически отсутствующей.

Таблица 4.1

Суточная очистка от микроэлементов без электрообработки

Эффективность удаления микроэлементов в контрольном сосуде с ершом (74,2 %) находится на уровне наиболее низких эффектов растений и достоверно от них не отличается. На основании этого можно предположить, что основу механизма удале­

ния микроэлементов составляют не физиологические и биохимические процессы корневых систем, а физико-химические процессы на границе твёрдой и жидкой фаз. Однако следует принимать во внимание, что как в случае с волокни­ стым ершом, так и в случае с корневыми системами заметное влияние может иметь биохимическая и физиологическая активность микрофлоры, которая обычно разви­ вается лучше при наличии в водной среде большой твёрдой поверхности. В данном случае расчётная удельная поверхность ерша составляла около 24 см2 на каждый см3 объёма воды при общем объёме материала ерша в сосуде 14 см3 Эти же характери­ стики, определённые по методу Сабинина-Колосова [231] (исходя из данных табл.3.7), для вейника составили, соответственно, 60 см2/см3 и 5 см3 Свидетельст­ вом невысокой значимости физиологических процессов можно считать низкую кор­ реляцию между эффективностью очистки и такими показателями физиологической активности, как транспирация и изменение рН среды по отношению к контролю. Коэффициенты ранговой корреляции Кэндала между эффективностью и указанны­ ми величинами в соответствии с данными табл.4.2 составили, соответственно, 0,50 и 0,25. Для дополнительной оценки физиологической активности растений сразу после опытов с микроэлементами были сняты кривые изменения рН в двойной пи­ тательной среде (рис.4.1). Степень подкисления можно считать пропорциональной активности. Конечные величины рН были ранжированы и определён коэффициент ранговой корреляции со средними эффектами удаления микроэлементов, который составил 0,50.

4.1.2. Очистка с предварительной электрообработкой

Электрообработка была применена с целью снижения продолжительности очистки и увеличения эффективности удаления 6-валентного хрома путём восста­ новления его растворяющимся железом до менее растворимой 3-валентной формы. Расчётная доза растворимого железа составляла 8 мг/дм3 Затраты электроэнергии находились в переделах 0,05-0,08 кВтч/м3.