VIII городская научно-практическая конференция школьников «Первые шаги в науку»
Возрастная категория: «Первые шаги в науку. Юный исследователь»
Секция: краеведение
Название работы:
«Биоплато Сусканского залива на Волге»
Автор работы:
г. о. Тольятти, МБУ СШ № 61, 9а класс
Соавтор:
г. о. Тольятти, МБУ СШ № 61, 9а класс
Научный руководитель:
,
учитель ОБЖ, к. п.н, МБУ СШ №61
Тольятти
2012
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность. Вся структура подземной гидросферы, её грунтовых и более глубинных пластовых вод изменена в бассейне Волги до неузнаваемости. Вместе с сезонным и многолетним регулированием уровня воды в водохранилищах, колеблется и уровень подземных вод, то поднимается вверх, то опускается вниз. А проблема повышения концентрации биогенных веществ в реке Волга широко известна и неоднократно была предметом исследований на различных уровнях.
Биогенное загрязнение влияет на организмы, обитающие в водотоках снижая количество доступного кислорода в воде. Это приводит к ухудшению их состояния, а при наихудших условиях может привести к асфиксии. Органические отходы, накапливаясь на дне, изменяют свойства субстрата, повышают мутность, ограничивая, таким образом, поступление необходимого для фотосинтеза свет, увеличивая количество бактерий и, в конечном счете, снижая биоразнообразие.
Целью данного исследования является анализ возможности применения биоплато для улучшения состояния водных объектов Среднего Поволжья в районе Сусканского залива с задачей предотвращения биогенного загрязнения и предложен наиболее рациональный способ очистки проточных вод, позволяющий получить биотопливо.
Биологический способ очистки проточных вод основан на практически неограниченных возможностях микроорганизмов, водорослей и высших водных растений (ВВР) в трансформации загрязнений различной химической природы. Кроме того, биологическая очистка осуществляется при минимальных затратах энергии.
В основе предложенного в исследовании способа очистки вод лежат биохимические процессы окисления, фильтрования, поглощения, накопления органических и неорганических веществ, минерализации, детоксикации, адсорбции, хемосорбции и др. Высокий очистительный эффект ВВР достигается там, где вода протекает через сообщество полупогруженных, плавающих и погруженных в воду растений. Имеющаяся на поверхности растений слизь (перифитон), а также снижение скорости течения жидкости в зонах зарастания способствует осаждению взвешенных веществ органического и минерального происхождения воды.
Проект очистительных работ должен включать несколько этапов:
1) формирование группы специалистов в составе гидрологов, биологов-экологов и рыбоводов, гидрохимиков, ландшафтоведов и инженеров-гидротехников;
2) разработка плана восстановительных работ с учетом местных условий, имеющегося опыта подобных работ;
3) техническое осуществление плана реконструкции водного объекта;
4) организация мониторинга водной экосистемы с целью анализа эффективности выполненных природоохранных мероприятий.
Чтобы избежать негативных последствий вмешательства во внутриводоемные процессы, на стадии разработки водоохранного проекта требуется выполнение имитационного математического моделирования функционирования конкретной водной экосистемы с учетом всего комплекса местных условий (метеорологических, гидрологических, биологических, хозяйственных) в системе водосбор—водоем.
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
Объекты и исходные материалы исследования
Волго-Каспийский бассейн еще совсем недавно давал до 90% мирового вылова рыб осетровых пород. Общая добыча ценных пород рыб, составлявшая в 1913 г. свыше 6000 тыс. центнеров (шесть миллионов центнеров), сократилась здесь по некоторым видам рыб в сотни и тысячи раз.
Конкретный пример вылова волжской сельди, в настоящее время почти исчезнувшей: в уловистые годы (1912—1917) добыча этой сельди достигала 2000 тыс. (два миллиона) центнеров в год; именно эта сельдь составляла основу и славу каспийского сельдяного промысла. В настоящее время волжская сельдь практически исчезла: в 2007 г. было выловлено не более 1000 центнеров – сокращение уловов более чем в 2000 раз (!). Уловы каспийских осетровых снизились со 159 тыс. центнеров в гг. до 2 тыс. центнеров в 1996 г. В 2007 г. вылов осетровых составил 850 центнеров, т. е. сократился в сравнении с 1970 годом в 300 раз.
За последние 25–30 лет экологическая обстановка на Волге резко ухудшилась. На нижней Волге, как констатируют научные конференции, она стала катастрофической. Несмотря на развал в промышленности и несмотря на катастрофический спад производства, загрязнение Волго-Каспийского бассейна продолжается, а морской воды – резко усилилось. Токсическая нагрузка на Волгу в три с лишним раза превышает таковую на других реках страны. Количество токсических тяжелых металлов в волжской воде за 15 лет к началу 2010 года возросло в 10 раз. В 90-х годах на берегу Волги неоднократно обнаруживали разливы ртути в воде, к этому времени в верховье Волги в р. Ветлуга в 1 кг мяса щуки обнаруживалось 1,5 миллиграмма ртути, т. е. в 6 щуках столько ртути, сколько ее в одном градуснике. В волжской воде определяется до 100 наименований одних только хлорорганических ядовитых соединений, концентрации некоторых из них превышают предельно допустимые количества (ПДК) в десятки и сотни раз. В бассейн сбрасывается 25% всех сточных вод всего бывшего Союза.
Уже к началу 2010 года вода в Волге не соответствовала нормативам на питьевую воду, она была непригодна для полива сельскохозяйственных культур и неприемлема для рыбного хозяйства. Содержание пестицидов и тяжелых металлов в организме рыб превышало допустимые уровни, утвержденные Минздравом для пищевых продуктов, в 5–12 раз. Другими словами, волжскую воду, в том числе и водопроводную, тогда, как и сегодня, нельзя пить, а рыбу из Волги нельзя употреблять в пищу.
Результаты исследования и их анализ
Анализ мирового опыта по применению биоплато в целях очистки сточных и проточных вод проводился в контексте перспектив использования таких систем в Придунайском регионе Украины, за рубежом. В связи с этим наряду с научными и литературными данными о применении технологии биоплато в разных странах, в исследовании использовались данные о природных условиях Среднего Поволжья в районе города Тольятти (климатические условия, гидрологический режим, рельеф местности). Кроме того, для исследования были использованы результаты инвентаризации основных источников биогенного загрязнения Жигулевского моря.
Идея использования водно-болотных угодий (ВБУ) для очистки вод не нова. Тысячи лет назад природные ВБУ использовались древними китайцами и египтянами для очистки жидких стоков. Однако, первое искусственное сооружение, повторяющее природные механизмы, действующие в ВБУ, было создано в 1904 году в Австралии. Даже после этого использование ВБУ внедряется очень медленно. О первой очистке вод с использованием растений в Европе упоминается в 1950-х, а американские исследования в этой сфере начались только в 1970-х. Тем не менее, сейчас биоплато признаются, как экономичный способ очистки жидких стоков.
Защита водных объектов от загрязнения включает комплекс водоохранных мероприятий, разрабатываемых для обеспечения нормативного качества воды в водоприемниках. При их осуществлении первостепенное значение отводится применению эффективных технологий очистки загрязненных вод. Наиболее перспективным и экономически выгодным является использование биоинженерных сооружений с высшей водной и влаголюбивой растительностью, принцип работы которых основан на естественных биологических процессах, протекающих в гидроэкосистемах. В этих сооружениях активизированы процессы самоочищения за счет естественной способности ряда живых организмов и растений поглощать, разлагать и перерабатывать загрязняющие вещества.
Очистка от загрязнений происходит за счет самоочищения в процессе круговорота воды, выноса биогенных и загрязняющих веществ и трансформации их микроорганизмами и растениями.
Способность высших водных растений удалять из воды загрязняющие вещества (биогенные элементы, тяжелые металлы, фенолы, сульфаты) и уменьшать ее загрязненность нефтепродуктами, синтетическими поверхностно-активными веществами, которая опосредованно характеризуется такими показателями органического загрязнения, как биологическое (БПК) и химическое (ХПК) потребление кислорода, позволяет использовать их в практике очистки производственных, хозяйственно-бытовых сточных вод и поверхностного стока.
Растения в водных объектах выполняют такие основные функции:
• фильтрационную (способствуют оседанию взвешенных веществ);
• поглотительную (поглощение биогенных и органических веществ);
• накопительную (способность накапливать некоторые металлы и
органические вещества, которые трудно разлагаются);
• окислительную (обогащение воды кислородом);
• детоксикационную (способность накапливать токсичные вещества и
преобразовывать их в нетоксичные).
Благодаря этим функциям растений системы, подобные водноболотным угодьям, способны снижать уровень БПК, содержание взвешенных веществ, азота, фосфора и бактерий коли-форм (часто на 98 %).
Однако, не смотря на подходящий для биоплато климат в развивающихся странах, их распространение в таких регионах происходит чрезвычайно медленно а в нашем регионе не рассматривается.
На основании анализа литературных данных использования водно-болотных систем с высшей водной растительностью в целях очистки сточных вод различного происхождения, можно отметить единые тенденции в использовании биоплато для очистки сточных вод в различных странах:
• Основная сфера применения биоплато – очистка хозяйственно-бытовых сточных вод и сельскохозяйственного поверхностного стока;
• Основная цель применения биоплато – снижение уровня биогенного загрязнения, биоплато обеспечивают степень очистки сточных вод, достаточную для их сброса в водные объекты;
• Преимущественно биоплато используются в холодной умеренной климатической зоне.
Так как подавляющее большинство подобных сооружений интенсивно используются в странах, находящихся в умеренной климатической зоне. То это связано с рядом ограничивающих факторов, в частности с их работой в холодный период года. Если для определенной местности характерна зима с большим количеством твердых осадков, то эксплуатация биоплато в таких условиях не вызовет затруднений даже при понижении температуры воздуха до -10 ºС благодаря «подушке», создаваемой слоем снега, что мы можем наблюдать в нашем регионе.
Размещение ВВР в бассейнах Сусканского залива позволит интенсифицировать технологию очистки сточной воды в течение всего года не зависимо от температуры окружающего воздуха.
В ходе исследования установили основные три пути, по которым биогены, попадают в водоемы и водотоки: в результате фильтрации загрязненной воды сквозь почву, вымывания растворимых биогенов из отходов жизнедеятельности сельскохозяйственных животных и эрозии верхних слоев почвы. Кроме того, немаловажным источником биогенного загрязнения водоемов и водотоков являются сточные воды и поверхностный сток населенных пунктов. В этой связи наибольшую опасность представляют малые населенные пункты, которые в большинстве случаев тяготеют к водным объектам и в которых сброс хозяйственно-бытовых сточных вод и поверхностного стока происходит без какой-либо очистки. Одними из основных биогенных элементов являются азот и фосфор. Преобладающим источником их поступления в поверхностные водные объекты является сток с сельскохозяйственных территорий, включающих пахотные земли, на которые вносятся удобрения, и территорию животноводческих комплексов.
Способы биологической очистки
Так как уже отмечалось, что наиболее рациональными способами очистки сточных вод являются биологические, основанные на практически неограниченных возможностях микроорганизмов, водорослей и высших водных растений (ВВР) в трансформации загрязнений различной химической природы, то остановимся более детально.
В основе биогидроботанического способа очистки сточных вод лежат биохимические процессы окисления, фильтрования, поглощения, накопления органических и неорганических веществ, минерализации, детоксикации, адсорбции, хемосорбции и др. Высокий очистительный эффект ВВР достигается там, где вода протекает через сообщество полупогруженных, плавающих и погруженных в воду растений. Имеющаяся на поверхности растений слизь (перифитон), а также снижение скорости течения жидкости в зонах зарастания способствует осаждению взвешенных веществ органического и минерального происхождения воды.
При выборе высшего водного растения, для использования его в дальнейшем, мы исходили из его свойств очищать воду от существующих загрязнителей, присутствующих в стоках, и условий его произрастания. Необходимо использовать погруженное в воду растение, не требующее для своего роста и развития грунт. Эти условия выполняются для того, чтобы осуществлялась очистка воды от растворенных в ней загрязнителей, и не происходило загрязнение взвешенными веществами.
В присутствии высших водных растений в 3-5 раз быстрее разлагается нефть. Жизнедеятельность макрофитов способствует всплыванию нефтепродуктов, осевших на дно, и их разрушению. Даже при непрерывном поступлении в водоем нефтепродуктов в зарослях высших водных растений они присутствуют в значительно меньших количествах, чем на открытых плесах. Наиболее перспективны для очистки воды от нефти - камыш озерный и рогоз узко - и широколистный. Камыш озерный интенсивно очищает воду и от фенолов.
При поиске биоценозов для проведения экспериментов исходили из того, чтобы обеспечение растениями происходило с минимальными затратами. Из большого многообразия ВВР, представленных в Ботаническом саду Самарского Государственного Университета, были взяты следующие виды: частуха подорожниковая (Alisma plantago-aquatica, сем. Частуховые), ряска (Lemna, сем. сем. Рясковые), уруть мутовчатая (Myriophyllum verticillatum L. сем. Сланоягодниковые).
Для использования в лабораторных условиях применялась уруть мутовчатая Myriophyllum verticillatum L. сем. Сланоягодниковые. Ряска располагается на поверхности воды и не способна сорбировать загрязнители, растворенные в толще воды. Для частухи подорожниковой необходим грунт и, вследствие этого, при использовании данного вида растений в качестве фитосорбента, возможно загрязнение воды взвешенными веществами. По-этому от использования этих видов в лабораторных условиях отказались.
Уруть мутовчатая растет в основном в стоячей воде на открытых солнечных местах или в полутени, морозоустойчива, поэтому лабораторные условия жизни для нее приемлемы. По литературным данным она способна очищать воду от нефтепродуктов.
Они способны накапливать в своем теле различные элементы.
Так, сусак способен накапливать 7,52 мг фосфора на 1 г сухой массы. Камыш активно аккумулирует марганец, ирис - кальций, осока - железо, ряска - медь. В процессе минерального питания высшие водные растения поглощают и утилизируют в своих органах значительное количество веществ. Высшие водные растения способны аккумулировать радионуклиды (цезий - 137, стронций - 90, кобальт - 60). Они утилизируют азот сточных вод предприятий по производству минеральных удобрений. Извлечение азота из сточных вод биологических прудов с помощью высших водных растений улучшает качество воды. Кислород циркулирует по полым стеблям и проходит в корни по воздухопроводящим побегам, а густые мочковатые водно-воздушные корни растений, как своеобразный механический фильтр, задерживают взвешенные в воде частицы и очищают от них воду.
Таким образом, наиболее рациональными способами очистки сточных вод являются биологические, с использованием фитотехнологий, то есть методов очистки сточных вод, основанных на использовании процессов природной самоочистки водных объектов, с использованием высшей водной растительности, водной микрофлоры и микроорганизмов.
Биотопливо
Уже лет 15 биотопливо пытается заявить о себе, но нефтяные гиганты относились к этому совершенно безразлично. Иное дело водоросли. Их огромное преимущество - фантастическая скорость роста. Они способны удваивать свою массу несколько раз в день. Ни одно другое растение здесь даже близко не стоит. И ресурс этой биомассы огромен. Важно, что это возобновляемые ресурсы, а значит, человечество уже может не опасаться за будущее своей топливной базы.
Если сравнивать эффективность переработки, то нефть, конечно, проигрывает. Ведь выход моторных топлив из одной тонны «черного золота» у нас не превышает 15—20 процентов. У водорослей эта цифра доходит до 70. Кроме того, две трети, энергии, которая содержится в тонне нефти, тратится на производство моторных топлив. Существенный минус. И здесь водоросли просто вне конкуренции. Затраты энергии для получения биоаналога бензина или керосина в разы меньше.
Итак, уже сегодня можно получать биотопливо, минуя стадию нефти, без головной боли, связанной с ее очень дорогой и сложной переработкой. И не потребуется традиционная нефтехимия, не придется прокладывать тысячекилометровые трубопроводы, что сэкономит миллионы тонн металла. Кардинально изменится облик целой отрасли.
Как же будет выглядеть производство моторного топлива из водорослей в нашем регионе?
Они неприхотливы, им нужен минимум пищи - вода, а также свет для фотосинтеза. Важно отметить и еще одно уникальное достоинство водорослей. Процессом их роста можно управлять, меняя состав компонентов, из которых они состоят. Например, быстрее всего они растут, когда в них преобладает белок. Но такой состав растения для моторных топлив невыгоден. Куда лучше, если будет больше жиров, которых в Волге от нефти очень много. Именно они являются основой для получения топлива. Отсюда ясна наша стратегия. Так из водоросли получается энергетическая биомасса, пригодная для бензина.
ВЫВОД
По результатам проведенного анализа мирового опыта по использованию биоплато для очистки сточных вод и возможностей нашего региона по получению биотоплива, были сделаны следующие выводы:
• Биоплато являются эффективным, экологичным и экономичным средством для очистки сточных вод;
• Наибольшая эффективность очистки прослеживается по таким показателям как содержание соединений азота и фосфора, взвешенных веществ. Степень очистки по ним в некоторых случаях достигает 98%;
• Биоплато неприхотливы в содержании и остаются эффективными более чем через 10 лет эксплуатации;
• Использование биоплато в условиях Среднего Поволжья может обеспечить поддержку таких традиционных для этого региона видов деятельности, как биотопливо и рыборазведение;
• Биоплато могут служить местом обитания для различных видов животных и даже представлять немалую туристическую привлекательность, что особенно важно для Тольятти.
• С биоплато уже сегодня можно получать биотопливо, минуя стадию нефти, а ведь сегодня мы на месторождении в суровых условиях Сибири или даже за Полярным кругом ведем добычу, потом на тысячи километров качаем это сырье на заводы, где получаем топлива, и железнодорожными составами развозим потребителям. Это же крайне неэффективный монстр, пожирающий огромные деньги. А плантация позволит получать моторное топливо прямо на месте, рядом с потребителем ВАЗ. Экономия колоссальная.
Приложение
Способы биологической очистки сточных вод
Существуют различные варианты очистки вод с применением высшей водной растительности. Известно устройство доочистки вод с применением высших водных растений на фитофильтрах различной производительности, с использованием системы "биоплато", в биопрудах, выполненных в виде резервуара, имеющего устройства для рассредоточенного напуска сточных вод и выпуска сточных вод.
В качестве одного из основных составляющих инженерно-биологических сооружений для очистки загрязненных возвратных вод - закрытого биоплатогидропонного типа (рис. 1).
Рис. 1. Биоплато гидропонного типа
Процесс кондиционирования возвратных вод - восстановления их биологической полноценности - сопровождается существенным снижением загрязненности воды трудноокисляемыми органическими примесями, происходящим в результате жизнедеятельности биоценоза иммобилизированных на инертном субстрате засыпки дренажных систем (щебень, шлак) микроорганизмов-деструкторов этих загрязнений, так и поглощения корневой системой высших водных растений.
Эффективность этого процесса может быть интенсифицирована внесением в прикорневую зону высших водных растений специальных биопрепаратов с микроорганизмами-деструкторами.
Практическое использование биологических плато для решения большой проблемы современности - проблемы чистой воды в ее биологическом аспекте особенно актуально в техногенно-перегруженных регионах.
В комплекс очистных сооружений биоплато входят такие элементы: отстойник-септик; блок обезвоживания осадка отстойника; фильт-рационные блоки, предназначенные для удаления мелких фракций взвешенных веществ и растворенных примесей; блок поверхностного биоплато, предназначенного для более глубокой очистки от растворенных примесей и удаления мелких фракций взвешенных веществ, которые представляют собой искусственные или естественные плантации высших водных растений (камыш, осока, рогоз и др.). Существуют также наплавные и русловые биоплато, очищающие воду от поверхностных и растворенных примесей. Они представляют собой сооружения из плавающей сетки, в ячейках которой укореняются водные растения с развитой корневой системой. Схема очистных сооружений, количество, конструкция и размеры отдельных элементов биоплато устанавливаются с помощью матема-тической модели, исходя из требований к качеству сточных вод, которые очищаются.
В зависимости от гидрогеологических условий местности блоки могут дополнительно оборудоваться противофильтрационным экраном, который исключает возможность загрязнения подземных вод.
Рис. 2. Схема комплекса очистки сточных вод фитотехнологией «Биоплато»
По окончанию строительства очистных сооружений выполняется благоустройство ближайшей территории с посадкой деревьев и многолетних трав по контуру площадки сооружений и на откосах и бермах блоков. Сооружения биоплато удачно вписываются в рельеф местности, представляют будто часть ландшафта.
Комплекс очистных сооружений биоплато круглогодично работает как саморегулирующая система. Поступление сточных вод с одного блока сооружений к другому осуществляется самотеком. Подача сточных вод на очистку осуществляется таким образом, чтобы обеспечить оптимальные условия развития высшей водной растительности на поверхности блоков сооружений. Исследования по определению эффективности использования биоплато в восстановлении возвратных вод завода как биологически полноценной среды обитания гидробионтов, проведенные с использованием в качестве тест-объектов беспозвоночных ракообразных, показали, что восстановленные на биоплато возвратные воды не выявляют отрицательного влияния на жизнеспособность тест-организмов даже в хроническом эксперименте (на протяжении месяца наблюдений).
Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что извлечение загрязняющих веществ из воды системой "биоплато" происходит путем прямого поглощения корнями высших водных растений растворенных в воде минеральных веществ, в том числе биогенных элементов. При этом в водоемы и подземные воды поступают стабильно восстановленные возвратные воды, что предотвращает загрязнение окружающей среды аварийными сбросами и существенно снижает риски возникновения чрезвычайных ситуаций от сброса недостаточно очищенных традиционными способами возвратных вод, так как на эффективность работы биоплато не влияют перебои в подаче электроэнергии. Кроме того, они обладают значительной буферностью и выдерживают значительные колебания концентраций примесей на входе без существенного ухудшения качества возвратных вод на выходе.
Зеленая масса высших водных растений с биоплато легко убирается и может быть использована как зеленый корм или при компостировании совместно с осадками сточных вод для получения компоста с высокими удобрительными свойствами.
