Біоплато для очищення стічних вод та водойм від радіонуклідів

Реферат: Біоплато для очищення стічних вод та водойм від радіонуклідів, включає шар біологічного завантаження та шар носія-поплавка, з'єднані між собою. Шар біологічного завантаження складається в біомаси вищих наземних рослин, вирощених гідропонним способом, а шар носіяпоплавка включає інертний матеріал носія та переплетену кореневу систему рослин, за допомогою якої цей шар сполучається із шаром біологічного завантаження, при цьому співвідношення лінійних розмірів інертного матеріалу носія до кореневої системи рослин складає 1:1-5. UA 107555 U (12) UA 107555 U UA 107555 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Заявлена корисна модель належить до галузі біоремедіації, а саме до пристрою, що являє собою біоплато, призначеного для здійснення комплексу заходів щодо очищення водойм, ґрунтів та атмосфери при використанні метаболічного потенціалу біологічних об'єктів водоростей, грибів, рослин, комах, черв'яків та інших організмів. Зокрема, запропонований пристрій передбачає використання вищих наземних рослин для ремедіації (фіторемедіації) та може використовуватися для очищення стічних вод та водойм від широкого кола забруднюючих речовин (полютантів), зокрема радіонуклідів. Останнім часом зростаюче надходження стічних вод, забруднених полютантами, у природні водойми набуває характеру глобальної екологічної загрози. Стоки підприємств містять різноманітні полютанти, серед яких особливу небезпеку представляють радіонукліди, важкі метали та токсичні речовини, які завдають значної екологічної шкоди, і мають мутагенні і канцерогенні властивості, що приводять до отруєння та загибелі організмів. Для мінімізації негативного впливу полютантів, зокрема радіонуклідів, на гідросферу необхідна розробка нових і удосконалення існуючих методів очищення стоків шляхом зниження концентрацій забруднювачів до нормативів, встановлених для водойм рибогосподарського призначення. У 90-і роки минуло століття було розроблено способи для очистки стічних вод при використанні біоінженерних очисних споруд (БІС). При здійсненні такого способу очищення використовують біоплато - штучно створений інженерно-біологічний пристрій, який призначений для очищення та доочищення господарсько-побутових, виробничих стічних вод на основі болотної рослинності, ґрунту та природних мікробних угруповань, що містяться у ґрунті та на коренях рослин. В основу такої технології було покладено природні процеси самоочищення, притаманні водним та навколоводним екосистемам. Біоплато, що традиційно використовується для очищення, як правило, складається з двох блоків - рослинного та фільтрувального. Для створення фільтрувального шару використовують щебінь, гравій, пісок та інші фільтрувальні матеріали, інший блок включає рослини. У відповідності із цією технологією при очищенні стічних вод використовують вищі водні рослини (ВВР) такі, як комиш, очерет озерний, рогіз вузьколистий і широколистий, рдест гребінчастий та курчавий, спіродела багатокорінева, елодея, водний гіацинт (ейхорнія). касатик та інші. ВВР, такі як комиш, очерет, рогіз, володіють здатністю видаляти з води забруднюючі речовини: біогенні елементи (азот, фосфор, калій, кальцій, магній, марганець, сірку), важкі метали (кадмій, мідь, свинець, цинк), феноли, сульфати, нафтопродукти, синтетичні поверхнево-активні речовини (СПАР). ВВР, якими засаджені очисні споруди біоплато, сприяють розвитку процесів самоочищення води від різноманітних забруднень, зокрема патогенних бактерій. При цьому використовується занурена у воду рослина, що не вимагає для свого росту і розвитку ґрунту. Використання ВВР сприяє інтенсивному виведенню ряду небезпечних забруднювачів поверхневих водойм. На поверхні завантаження та кореневої системи рослини у біоплато утворюється біоплівка, в якій розвиваються різні мікроорганізми, а завдяки надходження кисню в біоплато утворюються численні аеробно-анаеробні зони. Розчинні органічні речовини видаляються в процесі адсорбції, поглинання і діяльності мікроорганізмів. Таким чином, БІС виконують наступні функції: - фільтраційну (сприяють осіданню завислих речовин); - поглинальну (поглинання біогенних елементів і деяких органічних речовин); - накопичувану (здатність нагромаджувати деякі метали і важко розкладаючі органічні речовини); - окислювальну (в процесі фотосинтезу вода збагачується киснем); - детоксикаційну (рослини здатні накопичувати токсичні речовини і перетворювати їх в не токсичні). При використанні біологічних очисних споруд видаляються радіонукліди(цезій-137, стронцій-90, кобальт-60), відбувається видалення фосфору, важких металів (Hg, Cd, Cu, As, Mn, Zn, Pb, Cr, Al, Fe, Ba, Co, V, Zn та ін.), здійснюється розкладання нафти, фенолів, відбувається детоксикація отруйних сполук та знезараження води. Доведено, що БІС здатні видаляти з води відносно великі концентрації урану, радію, торію. Вони утилізують азот стічних вод підприємств з виробництва мінеральних добрив. Вилучення азоту із стічних вод біологічних ставків за допомогою ВВР покращує якість води. Розрізняють наступні типи систем біоплато: 1. - поверхневі, 2. - горизонтальні інфільтраційні, 3. - вертикальні інфільтраційні 1 UA 107555 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 4. - змішаного типу. Найбільш важливими характеристиками штучно сформованого біоценозу макрофітів і мікроорганізмів у біоплато є загальна площа біоплато, яку займають рослини, їх видовий склад і 2 чисельність на 1 м ; час контакту потоку води з біоценозом, режим експлуатації біоплато. Суттєвими перевагами технології при використанні БІС є наступні: - для розміщення і будівництва БІС можна використовувати землі, які не підлягають для будь-якого використання - колишні звалища, пустирі, балки, заболочені місця, чи якісь інші складові частини рельєфу; - будівництво споруд не потребує: висококваліфікованих працівників і виконується місцевими будівельними організаціями з традиційними технічними засобами; - експлуатація не потребує витрат електроенергії, хімічних реактивів; - строк роботи БІС без капітального ремонту складає до 30-50 років і більше, оскільки це самовідновлювальна система; - в період експлуатації споруд та нагляду за ними може виконувати 1 працівник з середнім рівнем кваліфікації; - термін введення в дію БІС - 2-6 місяців після початку будівництва; - біоплато, окрім виконання функції біоінженерних споруд очищення води, створюють просторову неоднорідність в існуючих антропогенно-природних ландшафтах, та як високопродуктивні екосистеми надають додаткові місця існування та харчові ресурси для багатьох видів флори і фауни, що, у свою чергу, створює сприятливі умови для підтримки біорізноманіття в кожному конкретному випадку їх застосування. Було розроблено спосіб очищення стічних вод шляхом пропускання їх через обваловану ділянку болота, що являє собою природне біоплато (Эйнор Л.О. Макрофиты в экологии водоема. - М.: Изд. Института водных проблем РАН, 1992). Проте при використанні таких біоінженерних систем не можна досягти величини БПК та рівня аміачної солі, які дозволені санітарними органами для скиду у рибогосподарські водойми. У зарубіжних країнах широкого застосування набули штучно сконструйовані БІС, що мають назву "Constructed Wetlands" (Vymazal J. Constructed wetlands for wastewater treatment // Ecological ebgineering. Editorial. 2005. pp. 3-5). Такі біоплато передбачають використання у процесі очищення стічних вод болотної рослинності, ґрунту та природних мікробних угруповань. Як і в попередньому випадку, такі БІС не можуть забезпечити ефективного очищення стічних вод та водойм від полютантів, зокрема радіонуклідів, особливо враховуючи сучасні високі рівні забруднюючих речовин. Є відомим біоплато для очищення водотоків та/або водойм, що містить біологічне завантаження у формі вищих водних рослин (зокрема безкореневих вищих водних рослин родини куширових, наприклад кушир (роголисник) занурений (Ceratophyllum demersum)) та пристрій для розміщення цього біологічного завантаження у вигляді вертикальних поплавківносіїв (А.c. № 1362710, C02F 3/32, 1986). Зазначене авторське свідоцтво є вибраним як прототип заявленої корисної моделі. Основними недоліками такого біоплато є низька ефективність очищення водойм при його застосуванні та складність виготовлення. Задачею заявленої корисної моделі є розробка біоплато, що забезпечує підвищення ефективності біологічного очищення стічних вод та водойм від радіонуклідів. Вказана задача вирішується за рахунок пристрою для очищення стічних вод та водойм від радіонуклідів, що являє собою біоплато, яке включає шар біологічного завантаження на основі вищих наземних рослин, вирощених заздалегідь гідропонним способом, де рослини є вибраними з групи, що включає ячмінь, овес, кукурудзу, вівсяницю та їх суміші, та зв'язаний з ним шар носія-поплавка, який підтримує біомасу рослин на поверхні водойми та одночасно виступає субстратом для рослин, де вказаний шар носія-поплавка представлений поєднанням переплетеної кореневою системи рослин та інертного матеріалу, вибраного з групи, що включає гранульований пінопласт, перліт або їх суміші, при цьому співвідношення лінійних розмірів інертного матеріалу носія та кореневої системи рослин у вказаному шарі складає 1:1-5. Заявлений біоінженерний пристрій у формі біоплато функціонує наступним чином: шар біологічного завантаження, який складається з біомаси вищих наземних рослин, що мають здатність накопичувати радіонукліди із навколишнього середовища, поглинає радіонукліди зі стічних вод та водойм, де застосовують біоплато, зокрема, за рахунок кореневої системи цих рослин. Шар носія-поплавка сполучається із шаром біологічного завантаження за рахунок кореневої системи рослин, для яких він служить субстратом. Шар вказаного носія також забезпечує плавучість біоплато та виконує фільтраційну та сорбційну функції. Зазначений шар утворений системою, що сформована із інертного матеріалу носія та переплетених з ним коренів рослин. 2 UA 107555 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Для реалізації способу особливо важливою є властивість вищих наземних рослин нагромаджувати забруднюючі речовини, зокрема радіонукліди. Адже здатність отримати необхідну кількість біомаси наземних рослин набагато перевищує аналогічну можливість водних рослин, що, в свою чергу, дає змогу значно підвищити ефективність дезактивації водойм. Крім того, ефективність процесу біоочищення суттєво підвищується за рахунок наявності сорбційної здатності добре розвиненої кореневої системи наземних рослин. Найбільш перспективними для реалізації заявленого способу є такі види рослини як: ячмінь, овес, кукурудза, вівсяниця, тобто рослин, які мають добре розвинену кореневу систему. Окрім кореневої системи накопичувальну здатність мають також тканини наземних рослин (листя, стебла), якщо вони знаходяться в умовах водної культури, тобто коли їм забезпечуються ідентичні з водоростями умови сорбції. Висока ефективність використання вищих наземних рослин як активних біосорбентів може базуватися не тільки на їх високій нагромаджувальній здатності, але й на можливості суттєво підвищувати цю здатність за допомогою факторів фізичної (гама-опромінення, гіпертермічна обробка), хімічної (фізіологічно-активні речовини, стабільні аналоги радіонуклідів) та біологічної (щільність посіву, біоінженерний вплив) природи. Крім того, застосування наземних рослин дає можливість легко управляти процесом їх росту і розвитку, отримуючи досить великі кількості біомаси. При використанні запропонованого у даній корисній моделі біоплато яке, на відміну від прототипу, базується на застосуванні вищих наземних рослинах, що мають максимально можливу здатність поглинати техногенні радіонукліди, досягається підвищення ефективності технологій фіторемедіації промислових і побутових стоків, ставків, озер, річок, водної фракції хвостосховищ, водойм-охолоджувачів та ін. Крім того, перевага полягає у тому, що використовуваний у біоплато шар носія забезпечує його плавучість та одночасно дозволяє легко здійснювати утилізацію відпрацьованого матеріалу, наприклад, шляхом спалювання. З цією метою для шару носія-поплавка використовують перліт та гранульований пінопласт, які на етапі пророщування насіння змішуються з ним, що потім дозволяє отримати своєрідну трав'янисту повсть, що володіє плавучістю. Самі по собі використовувані для шару носія-поплавка матеріали також можуть виконувати сорбційну функцію на доповнення до сорбційних властивостей кореневої системи рослин. Використовуваний субстрат для шару носія-поплавка повинен мати ряд властивостей: - нетоксичність стосовно рослин; - мінімальну пористість, що мінімізує вростання коренів у гранули субстрату; - здатність забезпечити достатній доступ повітря до насіння, що проростає, з метою виключення розвитку патогенної мікрофлори. - відносно низьку ціну субстрату. Використовуваний у даній корисній моделі матеріал носія-поплавка у дослідах продемонстрував не тільки перераховані вище характеристики, а й також відмінну здатність зв'язуватися з корінням рослин, що є зручним для використання біоплато у промислових масштабах. На Фіг. 1 приведено схематичне зображення біоплато у відповідності із заявленою корисною моделлю. 1 - шар біологічного завантаження (листова та стеблова біомаса), 2 - шар інертного субстрату носія-поплавка, 3 - коренева система рослин шару носія-поплавка, 4 - поліетиленова сітка. На Фіг. 2 представлено фотографію одержаного біоплато та продемонстровано плавучість заявленого біоплато (2а), а також показано біоплато, сконструйоване при використанні сітки (2б). Дослідним шляхом було встановлено, що особливо прийнятними вищими наземними рослинами для застосування у конструкції біоплато є ячмінь, овес, кукурудза, вівсяниця, які в результаті проведеного скринінгу були виявлені як такі, що характеризуються активним проростанням та є стійкими до грибкового зараження. Корисна модель може бути продемонстрована прикладами її конкретного здійснення. Приклад 1. Одержання міні-біоплато Для приготування біоплато невеликого розміру (міні-біоплато) використовували кільця діаметром 6,5 см та висотою - 1,7 см. На вологий фільтрувальний папір наносили (у розрахунку 2 2 г/дм ) насіння однієї з культур: ячменю, вівса, вівсяниці, кукурудзи; зверху засипали гранульований пінопласт або перліт. Усе насіння попередньо замочували протягом приблизно 8 годин. Зволожували підготовлений матеріал відстояною водою з водогону (приблизно 50 мл). Отримані конструкції розміщували у вологій камері, яка створюється за допомогою прозорого 3 UA 107555 U 5 10 15 20 25 30 35 поліетиленового пакету для пророщування. Одержані таким чином конструкції міні-біоплато можна використовувати для подальших досліджень їх ефективності у лабораторних умовах. В одному з варіантів досліду додатково до фільтрувального паперу використовували поліетиленову сітку для створення більш щільного біоплато. Приклад 2. Одержання біоплато напівпромислового розміру Для приготування біоплато напівпромислового розміру у резервуар (у досліді використовували кювету розміром 30×40 см), дно якої покрито шаром фільтрувального паперу, вносили шар гранульованого пінопласту товщиною 1,5 см; зверху на гранульований пінопласт насипали шар перліту. У кювету наливали 200 мл води; впродовж подальшого пророщування додавали ще 600 мл води. За допомогою пульверизатора зволожували поверхню субстрату. У досліді на шар суміші гранульованого пінопласту-перліту наносили суміш насіння для 3 3 одержання біологічного завантаження: кукурудза (200 см ) - ячмінь (100 см ) - тимофіївка лугова 3 (10 см ). Насіння кожного виду попередньо замочували у воді протягом 8 годин. Зверху насипали тонкий шар перліту. Кювету помістили в чорний світлонепроникний пакет для створення вологої камери. В одному з варіантів досліду замість фільтрувального паперу використовували поліетиленову сітку для створення більш щільного біоплато. Через 1-2 тижні після висаджування насіння біоплато можна використовувати для очищення водойм. При цьому ріст рослин підтримується за рахунок поживних речовин, що розчинені у водному середовищі, для очищення якого використовується біоплато. Аналогічним способом готували біоплато при використанні насіння ячменю, вівса та вівсяниці, а також кожного із цих видів, узятих окремо. Усі використовувані у досліді рослини та їх суміші продемонстрували високу ефективність для конструкції біоплато. Результати, які демонструють одержане біоплато напівпромислового розміру (через 1 тиждень) на прикладі кукурудзи, представлені на Фіг. 2, де також продемонстровано плавучість одержаного біоплато. Аналогічним чином одержували рулонну культуру, яка дозволяє одержувати біоплато та скручувати його в рулон для зручності його транспортування. Приклад 3. Дослідження поглинальної здатності біоплато Для визначення ефективності запропонованого згідно з даною корисною моделлю біоплато для очищення стічних вод та водойм від радіонуклідів у дослідах використовували мінібіоплата, одержані так, як описано у Прикладі 1. У процесі дослідження міні-біоплата розміщували на спеціальних резервуарах для роботи з радіоактивними ізотопами, які містили 137 розчин, що включав ізотоп Cs з питомою активністю 1,5 кБк/л. Контролем у даному 137 експерименті слугувала резервуар з такою ж самою активністю ізотопу Cs , але за відсутності 137 міні-біоплато. Вимірювання динаміки залишкової кількості ізотопу Cs проводили протягом 96 год. Результати досліду приведено у Таблиці 1. Таблиця 1 Динаміка зниження концентрації ізотопу Cs Години після експерименту 0 20 44 68 96 40 45 137 при використанні міні-біоплато 137 початку % від початкового значення концентрації радіонукліду Cs За відсутності міні-біоплато При застосуванні міні-біоплато 100 100 100 40 97 5 97 0 100 3 Як можна побачити з Таблиці 1, зниження концентрації ізотопу цезію відбувається лише за рахунок поглинальної здатності рослин. Слід зазначити, що протягом трьох діб, незалежно від використовуваного виду рослин та типу субстрату, завдяки сорбційній активності рослин рівень концентрації радіонукліду зменшувався на порядок у порівнянні з вихідним. Це забезпечує можливість використання запропонованого біоплато для видалення радіонуклідів у водоймахохолоджувачах атомних станцій. У досліді також вивчали ефективність запропонованого міні-біоплато, створеного на основі різних видів рослин та різних матеріалів носія. Міні-біоплата для дослідження одержували так, як описано у Прикладі 1. Для цього міні-біоплато розміщували у спеціальних резервуарах для 137 роботи з радіоактивними ізотопами, які містили розчин, що включав ізотоп Cs з активністю 1,5 4 UA 107555 U кБк/л. Експеримент проводили при використанні наступних варіантів: 1) ячмінь + гранульований пінопласт, 2) ячмінь + перліт, 3) вівсяниця + гранульований пінопласт. Вимірювання залишкової радіоактивності у % від вихідного значення проводили протягом 3 діб. Результати досліду приведено у Таблиці 2. 5 Таблиця 2 Динаміка зниження радіоактивності (Cs 137 ) при використанні міні-біоплато 137 Доба експерименту 0 (початок експерименту) 1 2 3 10 Залишкова активність (%) радіонукліду Cs від початкового значення Варіант 1 Варіант 2 Варіант 3 100 100 100 43 50 33 24 26 22 8 5 6 Таблиця 2 підтверджує можливість використання запропонованого біоплато для очищення стічних вод та водойм від радіонуклідів. Приклад 4. Порівняння ефективності запропонованого біоплато з відомими пристроями для очищення стічних вод та водойм від радіонуклідів У досліді порівнювали ефективність очищення водних розчинів від радіонуклідів (на 137 прикладі ізотопу Cs ) при використанні запропонованого згідно з корисною моделлю біоплато із такою для природних сорбентів. В експерименті використовували наступні матеріали: пісок із села Копачі, ґрунт, заявлене біоплато. Результати експерименту представлені у Таблиці 3. 15 Таблиця 3 Ступінь очищення водних розчинів від цезію-137 при використанні природних сорбентів та біоплато. Тип сорбційного матеріалу Пісок із с. Копачі Ґрунт Запропоноване біоплато 20 Ступінь очищення від цезію-137, % від початкової концентрації 90,5 70,9 95 Таким чином, заявлене у даній корисній моделі біоплато демонструє високу ефективність щодо очищення господарсько-побутових водойм від радіонуклідів та є екологічно прийнятний та економічно найбільш перспективним напрямком у системі очищення стічних вод, водопідготовки та водопостачання. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 25 30 35 1. Біоплато для очищення стічних вод та водойм від радіонуклідів, що включає шар біологічного завантаження та шар носія-поплавка, з'єднані між собою, яке відрізняється тим, що шар біологічного завантаження складається в біомаси вищих наземних рослин, вирощених гідропонним способом, а шар носія-поплавка включає інертний матеріал носія та переплетену кореневу систему рослин, за допомогою якої цей шар сполучається із шаром біологічного завантаження, при цьому співвідношення лінійних розмірів інертного матеріалу носія до кореневої системи рослин складає 1:1-5. 2. Біоплато за п. 1, яке відрізняється тим, що вищі наземні рослини є вибраними з групи, що включає ячмінь, овес, кукурудзу, вівсяницю та їх суміші. 3. Біоплато за п. 1 або 2, яке відрізняється тим, що інертний матеріал, який входить до складу шару носія-поплавка є вибраним з групи, що включає гранульований пінопласт, перліт або їх суміші. 4. Біоплато за будь-яким з попередніх пунктів, яке відрізняється тим, що включає додатковий шар, який є представленим поліетиленовою сіткою та знаходиться під шаром інертного носіяпоплавка. 5 UA 107555 U 5. Біоплато за будь-яким з попередніх пунктів, яке відрізняється тим, що є представленим у формі рулонної культури. 6 UA 107555 U Комп’ютерна верстка І. Скворцова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 7