Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Элиминирование макрофитами солей азота и фосфора

ВАК РФ 03.00.18, Гидробиология

Автореферат диссертации по теме "Элиминирование макрофитами солей азота и фосфора"

На правах рукописп

рг б од

- 2 ИЮН 1998 .

ХРАМЦОВА Татьяна Гурьевна ЭЛИМИНИРОВАНИЕ НАКРОФНТЛМИ СОЛЕЙ ЛЗОТА И ООСФОРЛ 03.00.18 - гидробиология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

<7

Иркутск - 1998

Работа выполнена в научно-исследовательском институте биологии при Иркутском государственном университете

Научный руководитель: доктор биологических наук, профессор СТОЯ Д.Н.

Официальные оппоненты: доктор биологических наук.

профессор, академик АЛО ШШ1 Н.Э.;

кандидат биологических наук, с. н . с. ОСИПОВ/1 Е. В.

Ведущее учреждение: Красноярский институт биофизики

Защита состоятся "ЛЗ " 1998 г. в

часов

на заседании диссертационного совета Д.063.32.06 по защите диссертаций при Иркутском государственном университете по адресу: 664003, г.Иркутск, ул.Сухз-Батора, 5, Байкальский музей им.профессора М.М.Кожова (ауд.219) Почтовый адрес: 664003, Иркутск, ул. Ленина, 3, а/я 24, НИИ Биологии при ИГУ.

' е

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке

•.

Иркутского государственного университета

Автореферат разослан " 2 Я " дуе^дс, 1998 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

Кулчинская Е.С.

Постановка проблемы и ее актуальностью Биологическая очистка является важнейшим звеном в системах, создаваемых для удаления загрязнений из сточных вод с высоким содержанием органических веществ. Образующиеся при этом в процессах микробиологической минерализации соли азота, фосфора и других биогенных элементов (БЭ) остаются в составе очищенных сточных вод и сбрасываются в водоемы. Особенно много БЭ содержат сточные воды животноводческих комплексов, птицефабрик, пищевой, целлюлозно-бумажной промышленности, коммунальные стоки. Кроме того БЭ поступают в водоемы с атмосферными осадками, ливневым'и водами с сельскохозяйственных полей, накапливаются в. воде за счет процессов постлетального распада животных и растений (Кло-ченко. Медведь, 19Э2; Хильчевский, 1993; Цапина, 1994).

БЭ вызывают нежелательные изменения в гидрохимическом и гидробиологическом режимах водоемов и являются главной причиной повышения их эвтрофикации (Медведев и др.,1990; Парчук, 1995; Lieberman,1995). Элементы эвтрофйрования отмечены и в озере Байкал (Kozhova, . 1973). Хотя процессы эвтрофирования водоемов зависят от различных БЭ, все же определяющими Среди них являются производные азота и фосфора (Дмитриева, Эйнор, 1985; Cederwall, Elmgren, ■ 1990). Некоторые соли азота к тому же являются токсичными как для гидробионтов, так и для человека (Рубенчик, 1990; Una et. al., 1994; Clement, Merlin, 1995), поэтому сброс их в водоемы нормируется (Заличева, Волков, 1995).

Даже уаиболее совершенные очистные сооружения не освобождают стоки от неорганических соединений азота и фосфора, а существующие физико-химические методы доочистки'дороги и недостаточно эффективны (Ковалев, 1985; Marals, 1983; Тимофеева, 1993). В этой связи сейчас все большее внимание привлекает гидроботанический метод очистки.

Качество воды в природных водоемах и процессы самоочищения определяются функционированием их экосистем, одним из важных компонентов которых являются макрофиты - высшие водные растения (ВВР) и водоросли. В литературе имеются сведения о применении в регионах с теплым климатом воздушно-водных и плавающих макрофитов для очистки сточных вод от БЭ (Юнусов, 1988; Mickle, 1993; Thofern,1994; Tahe-ruzzaman, Kushari, 1995). Но в условиях Восточной Сибири с резко континентальным климатом и долгой холодной зимой для этих целей могут быть использованы только погруженные макрофиты. Для нашего региона необходимо подобрать растения местной флоры, отвечающие необходимым требованиям и предложить конструктивные решения, позволяющие

макрофитам функционировать круглогодично.

Вместе с тем да сих пор нет ясных представлений о том, каковы потенциальные возможности погруженных растений в .трансформации БЭ и при каких условиях они проявляются в максимальной степени,, отсутствуют научные и практические подходы к использованию макрофитов для доочистки сточных и природных вод.

Цели и задачи работы: Цель исследований - изучить Процессы элиминирования биогенов погруженными макрофитами и разработать рекомендации по их использованию для очистки сточных вод от биогенов в условиях Восточной Сибири.

В связи с этим были поставлены следующие задачи:

1. Исследовать токсическое действие биогенов на гйдробионты.

2. Изучить динамику удаления солей азота (N03~, NQg~, -NH^) и фосфора (Р043~) из модельных растворов отдельными видами макрофитов (в том числе байкальскими эндемиками), выявить наиболее перспективные в этом отношении растения и подобрать оптимальные условия элиминирования биогенов. •

3. Провести лабораторные и полупромышленные испытания по удалению макрофитами солей азота и фосфора из сточных вод рыбораэводных хозяйств, свиноводческих комплексов и канализационных вод.

4. Разработать технологический 'регламент ло доочистке сточных вод животноводческих комплексов погруженными макрофитами, применительно к условиям Восточной Сибири- Рекомендовать рациональные пути утилизации нарастающей фитомассы в сельском хозяйстве.

5. На основе полученных экспериментальных данных предложить математическую модель для оптимизации процессов очистки сточных вод рйборазводного хозяйства.

Научная новизна; Впервые изучены закономерности процессов элиминирования биогенов из-модельных растворов и различных сточных вод погруженными макрофитами, представителями флоры Сибири, в том числе байкальскими эндемиками, применительно к условиям Восточной Сибири. Выявлены наиболее перспективные "в этом плане растения и подобраны оптимальные условия удаления БЭ. Исследовано влияние некоторых факторов на накопление нитратов макрофс i ими . Предложена математическая модель, которую можно использовать для оптимизации процессов очистки сточных вод рыборазводного предприятия. Рёзультаты изучения процессов элиминирования биогенов макрофитами являются научной основой применения гидроботакического способа для доочистки сточных вод, ах.

солей.азота и фосфора, а также могут быть использованы при прогнозировании эколого-токсикологической ситуации в водоемах, в которые поступают БЭ.

Практическое и теоретическое значение работы: Проведены лабораторные и полупромышленные испытания со сточными водами Усольского свинокомплекса, рыбораэвадного хозяйства ТЭЦ-10 и стоками с правобережных канализационных очистных сооружений (КОС) г.Иркутска. Показана перспективность применения погруженных макрофЛтов для эффективной доочистки этих сточных вод в условиях Восточной Сибири. Разработан технологический регламент по доочистке макрофитами сточных вод свинокомплексов в холодное время в закрытых бассейнах с искусственной подсветкой и дополнительным подогревом.

Результаты исследований включены в отчеты лаборатории по госбюджетной теме и хоздоговорном работам, в частности с Агропромом, Иркутскэнерго, _ областной администрацией Иркутской области. Внедрены в учебный процесс в ИГУ и используются При чтении курсов лекций "Са-

I

нитарная гидробиология и водная токсикология", "Промышленная экология и экологическая безопасность". Разработанные методы включены в учебное пособие для студентов биологического факультета (Стом и Др., 1989) и для студентов буров "Прикладная экология" (Вронский, 1996).

Выполненные разработки демонстрировались на выставках, в частности "Наука, образование, новые материалы-и -технологии", проходившей в Иркутске В 1997 и 199В г., где отмечены дипломами, ранее выставлялись на ВДИх в Москве и других городах.

Апробация работы: Материалы диссертации докладывались и обсуждались на научно-практическом совещаний "Водные ресурсы бассейна Байкала vи Ангары. Предсказание, рациональное использование и охрана" (Иркутск, 1983); IV Всесоюзной конференции по водной токсикологии (Юрмала, 1983 ).; III и IV конференциях молодых ученых Иркутского госуниверситета (Иркутск, 1985 ; 1986 );• Iii Всесоюзной научной конференции "Проблемы.экологии Прибайкалья" (Иркутск, 1988); V Всесоюзной байкальской школё-семинаре (Байкальск, 1989); на конференции, посвященной ЮО-летйю со дня рождения проф.М.М.Кожова (Иркутск, 1990); региональном научно-техническом совещании "Решение проблем охраны окружающей среды и рационального Использования ресурсов"(Иркутск, 1996); V Международной конференции "Проблемы экологии: чтения памяти проф.И.М.Кожова" (Иркутск, 1995).

Публикациипо материалам диссертации опубликовано 35 работ.

б

Объем и структура работы; Диссертация изложена на 110 страницах машинописного текста и состоит из введения, 5 глав, выводов, списка литературы, включающего 105 наименований. Работа иллюстрирована 22 таблицами и 14 рисунками.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1, Литературный обзор. Дан анализ литературы по вопросам о влиянии БЭ на гидробионты, о роли водных растений в процессах самоо--чнщения водоемов и по очистке макрофитами сточных вод от Биогенов и других загрязнителей.

Глава 2. Объекты и методы исследование. Материалами для написания работы послужили данные лабораторных, полевых и полупромышленных экспериментов, проведенных на биостанции в пос.. р.Коты, на Усольском свинокомплексе, рыбоводных прудах ТЭЦ-10 г.Ангарска и правобережных КОС г.Иркутска в течение более десяти"лат.

Объектами исследования являлись следующие макрофиты; Draparnal-dioides baicalensis, Dr.arenaria, Cladophora compacta, Nítella sp., Elodea canadensis, E.densa, Chara fragilis, MyriophyHum spicaturo, Ceratophyllum demersum, Potamogeton perfoliatus, P. pectinatus, Lemna trisulca, L. minor, Spirodela polyrhiza, Pistia stratiotes, Vallis-neria spiralis. Макрофигы собирали в оз.Байкал и в водоемах в окрестностях г.Иркутска.

Эксперименты с макрофитами ставили в стеклянных емкостях объёмом от 1 до 20 литров при освещенность 3 тыс.люкс. Температура в зависимости от условий эксперимента составляла от 5 до 20 °С. Про-дрлжительность варьировала от нескольких часов до 20 суток. В работе использовали соли: KN03 , KN02 , KH2P04, NH4C1, глюкозу марки ХЧ., а также сточные воды Усольского свинок-омплекса и правобережных КОС г. Иркутска после стадии биологической очистки активным илом, сточные воды рыбораэводного хозяйства ТЭЦ-10 г.Ангарска. Полупромышленные испытания на Усольском свинокомплексе вели при естественном освещении в бетонированных бассейнах размер м 10x2,5x2 м, на ТЭЦ-10 в прудах, находящихся на территории ТЭЦ и имеющих размеры: 40x10x1,5 м.

Токсикоиетрические эксперименты проводили на элодее, нителле и драпарнальдии. Критерием токсичности в опытах с нителлой служила.остановка движения протоплазмы (Stom et al, 1974), с драпарнальдией -Интенсивность флуоресценции хлорофилла (ИФХ) (Саксоноа, Атавина, 1988). Прирост элодеи оценивали как описано в (Stom, Kozhova, 1976);

Эксперименты по элиминированию биогенов ставили по методу полного факторного эксперимента (ПФЭ) (Максимов, 1980). Определение аммонийного азота, нитратов, нитритов и фосфатов проводили колориметрическим методом на КФК-2. При этом регистрировали окрашенные продукты взаимодействия аммония с йодомеркуриатом калия, нитратов с са-лицилатом натрия, нитритов с сульфаниловой кислотой и Ct-нафтилами-ном, фосфатов с молибдатом аммония (Лурье, 1971: Руководство по анализу .. ,1984 ) . Растворенный кислород делали по (Резников и др.,1970), рН - потенциоиеурически (Горемыкин, 1977а). БПК5 ;. ХПК, сульфаты и хлориды опрвделяли общепринятыми методами (Руководство по методам. . , 1983) .

Отбор проб и микробиологические анализы проводили согласно ГОСТа 18963-73 (Методы санитарно-бактериологического анализа 1975). Эксперименты с сулемой ставили'по (Дурмашидэе, Угрехилидэе, 1969). Химический состав макрофитов делали по (Сиренко и др., 1975). Количество нитратов внутри растений определяли с помощью ионселективного электрода по тестированной методике (Методические указания...N

I

5Q48-89 ЦИНЛО 1989). опыты ставили не менее чем в 3 повторностях. Статистическую обработку проводили по стгтдартным формулам (Плохинс-кий, 1978) с доверительной вероятностью 0,95. Глава 3. Влняние солей азота и фосфора на накрофиты я другие гндробионты.

Некоторые \ц иэводные БЭ, в частности нитриты, нитраты и аммоний обнаруживают определенную токсичность . Поэтому прежде чем изучать вопросы использования гидрсфитоценозов для очистки сточных вод от биогенов, необходимо было выявить диапазон устойчивости гидроби-онтов ь этим соединениям.

В концентрации 10 г/л после суточного инкубирования нитриты и аммоний вызывали остановку движения иитпппяпкы у Nitella sp.„ гасили на 100 % ИФХ Draparnaldioides baicalensis и вызывали гибель побегов Elodea canadensis. Нитраты и фосфаты в данной концентрации гасили ИФХ на 50 % и вызывали гибель побегов элодеи через 5" и 3 суток соответственно. В количестве 1 г/л данные соединения не оказывпяи влия-чия на ИФХ драпарнальдии, но вызывали остановку движения протоплазмы 1ителлы (нитриты у 70 % клеток, нитраты у 50 %) и ингибировали рост элс.леи (N03~ на 6С t 5,4 X, Р043~ на 45 ± 5 Х\, а нитриты и аммоний вызывали гибель элодеи через 10 суток. В количестве 100 мг/л они не злияпи на движение цитоплазмы и ИФХ в течение 10 суток, прирост по-

бегов элодеи незначительно ингибировал лишь аммоний, остальные соли либо не влияли на рост, либо стимулировали его.

Хотя при гидроботаническом способе очистки иакрофиты являются определяющими факторами очистки, -ь процессах трансформации И утили- .-зации ■ загрязнителей принимают участие и связанные с ними микроводоросли и беспозвоночные. Ранее, исследуя действие сточных вод "Ан-гарскнефтеоргсинтез" , Усольского химфарикомбината, Байкальского ЦБК, И других производств, выявили, что даже после биологической очистки они токсичны для гидробионтов, причем для беспозвоночных в. большей степени, чем для водорослей (Атавина, 1986; каэаринова, Атавина, Зубарева, 1987). В состав фактически любых сточных вод наряду с БЭ входят также фенольные соединения, поэтому изучали- их действие на гидробионты. Материалы этих исследований отражены в работах . (стом и др.,1981, Храмцова и др.,1987,. 1989). Эксперименты с мезокоснани, проведенные непосредственно в оз.Байкал, показали, что добавка минеральных форм азота и фосфора (0,003-0,5 мг Р/л и 0,017-2,2 мг П/л) не влияла на байкальский зоопланктон, стимулировала летний фитопланктон и угнетала энмна-весениий (БНом е1^.аГ., 1991).

Таким образом, макрофиты более устойчивы к действию биогенов, чем беспозвоночные. Для исследуемых .биогенов наиболее токсичеи аммоний. Водоросли и ВВР проявляли повышенную устойчивость' к БЭ. СолИ азота и фосфора не оказывали существенного влияния па их физиологические параметры в области концентраций от 100 мг/л. до 1 г/л. Повышенная толерантность макрофигов к биогенам свидетельствует в пользу перспективности'их использования для очистки сточных вод. от БЭ. Глада 4 ■ элиминирование иакрофйтзшт БЗ пз иолалъньрс растпоррп солей ,

Применяемые для доочистки стоков накрофиты можно условно-разделить на 2 группы: 1. Холодолибивын комплекс; рдест пронзеннолистный и гребенчатый, уруть колосовая, роголистник темно-зеленый; ряска-трехдольная, элодея канадская. 2. Теплолюбивый; пистия телорезовид-ная, элодея густолиственная, валлиснерия спиральная, ряска малая, многокоренник обыкновенный. Хара хорошо переносит широкий диапазон температур и может входить•как в тот, так и в другой,комплексы. ■ ■

На основании экспериментов с могильными растворами Солей азота и фосфора были выделены наиболее значимые факторы, влияющие на процесс очистки (концентрация биогена, биомасса-растения, температура,,

экспозиция) к определены оптимальные условия элиминирования БЭ макрофитами: фитомасса 3 г/л, температура для холодолюбнвого комплекса 13 °С; ДЛЯ теплолюбивого - 20 0С; рН-7; время контакта макрофит-био-ген не более 15 суток, освещенность з тыс.люкс.

Макрофиты практически не элиминировали БЭ из растворов с концентрацией нитратов выше 100 мг/л, аммония и фосфатов выше 50 мг/л. Иэ региональных погруженных макрофитов наиболее интенсивно удаляли БЭ рдесты, хара, уруть, хуже всех валлИснерия. Наибольший прирост фитомассы давала■элодея канадская. При равных концентрациях нитратов и фосфатов, нитраты растения поглощали с большей скоростью. Из.азотсодержащих соединений быстрее поглощался аммонийный азот. Эксперименты с растениями, предварительно обработанными раствором сулемы, показали, что вклад микроорганизмов в удаление БЭ составлял не более 1813 остальное крличество приходилось на долю макрофитов.

Данные по накоплению нитратов макрофитами представлены на рис.1. Чем значительнее содержание нитратов было в растворах, в которых инкубировали макрофиты, 'тем больше их накапливалось внутри'растения. Из исследуемых объектов больше всего накапливала нитраты уруть, меньше валлиснерия. Были поставлены эксперименты по влиянию света'и глюкозы на накопление нитратов. Экспонирование на свету, а также добавление в инкубационную среду глюкозы (1 т/Л) снижало уровень накопления нитратов в элодеи. Например, при исходном содержании в среде нитратов 1 г/л через 3.суток концентрация нитратных анионов внутри растения составила в темноте - 985±103, на свету - 349±42, в темноте и с глюкозой • - 57б£78 , на свету и с глюкозой 129^31 мкг/г.

. Таким образом количество нитратов, накапливаемых макрофитами, повышалось по мере увеличения их концентрации в инкубационной среде. Свет и наличие в наружном растворе глюкозы. снижали-'концентрацию нитратов в растениях.

А'О.

£ 10 .1!» ь*оииемтрация ионов нитрата в наружном раствор* в г/л

Рие.1 Способность раствний накапливать нитраты 1. валлиснерия спиральная; 2. элодая канадская; 3 уруть колосистая

Глаза 5. Влияние различных факторов на поглощение биогеиов байкальскими макрофитани.

Учитывая сложность и' многофакторность исследуемых процессов, опыты ставили по плану ПФЭ. Ранее мы выделили наиболее значимые факторы, влияющие на процесс очистки. Именно эти факторы и были.включены в планирование эксперимента и условно обозначены: Хг - концентрация БЭ в растворе, мг ион/л, Хг- фитомасса (нижний уровень 1 г/л, верхний - 4 г/л); Х3- температура (5 °С и 15 °С); Х4- время (1 и £ суток). Было проведено 2 серии опытов, различающихся по области определения фактора Х4. В I серии брали концентрации БЭ, содержащиеся в природных водоемах: нитраты от 0.5 до 1.5 мг/л; фосфаты от 0.05 до 0.5 мг/л. Во II серии брали более высокие концентрации: ,нитраты от 1.5 (нижний уровень) до 10 мг/л (верхний уровень); фосфаты от 0.5 до 5 мг/л. В качестве отклика (У) принята степень очистки воды.

В результате проведенных экспериментов были получены уравнения регрессии, включающие статистически значимые эффекты и адекватно описывающие исследуемый процесс (табл.1).

Таблица 1

Уравнения регрессии элиминирования иакрофитами солей азота и фосфора из растворов

1 | Макрофит ■.............. 1 Соли азота и фосфора |

I Драпарнальдия 1 Нмтрллй | Клядофора нитраты (низкие концентрации) | .У=52,47-16,49X1+6,95Хг + 30,1X4 | У=60,49 + 3,25Хг+ 39,-2,91Х2Х4 1 У=б2,53+5,62Х2+37,47Х4-5,63Х2Х4 |

I. Драларнальдия I Нителла I Клядофора фосфат* (низкие концентрации) I У=5 8 ,51-8,14X1 +9, 8Хг + 31 ,38X4 + 5,83.45X2-7 ,45X1X3X4 1 У=83,37-5,59X4+6,21X2+16,62X4+5,58X1X4-6,21X2X4 1 У=56д7г + 10,4Хг+35,82Х4+6,27Х1Х2-7,18Х1 Х4 |

I Драпаркальдия 1 Клядофора нитраты (высокие концентрации) I У=1й Д 3-31,72Х! +8,... Аг+8,39X3+7,78X4 + 5,06X^2X3X4 | 46,54-11,56X^+7,54у-+ 30,51Х4+ 4.94X3X4 1

I драпарнальдия I Клядофора 1 ,,,..... фосфаты (высокие концентрации) I У=40,53-20,7ЗХ!+22,15Хг+12,62Х3+8,78Х4+11,69X^8X3| У=33,0а+6,95Х3+17,77Х4-7,26Х1Х3-7,73X^4 | о 1

Наличие в уравнениях регрессии членов с произведением факторов

X2X4, XjX2, Х2Х4, XtX4 и г. д. указывает на тесную связь фитомассы, времени и концентрации БЭ в воде на степень ее очистки. Значения коэффициентов (Ь), рассчитанные в ходе регрессионного анализа свидетельствуют о силе влияния факторов и их взаимодействий на процесс очистки, а знак говорит о характере влияния. Так, например, в экспериментах с драпарнальдней при низких концентрациях нитратов, наибольший эффект на степень очистки оказывало время (фактор Х4 , Ь=30,1) и концентрация нитрата (фактор Xj Ь=-16,4Э). Причем эти факторы имели противоположную направленность. При увеличении количества нитрата степень элиминирования будет снижаться, а при увеличении времени экспозиции и фитомассы макрофита, возрастать. Глава 6. Применение макройнтов для очистки сточных вод

6.1. Очистки сточных вод рыбоводного хозяйства. При использовании теплых вод ТЭЦ для интенсивного рыбоводства, происходит их-загрязнение веществами, образующимися в процессе жизнедеятельности рыб. Гидрохимический анализ воды на входе в рыбоводный бассейн, подпиты-вающийся теплой водой из ТЭЦ, показал, что она по ксем показателям соответствовала нормам ПДК для рыбохозяйственных водоемов. В воде на выходе из бассейнй происходило увеличение практически всех показателей. По ХПК и БПК5, нитритам, фосфатам й аммонию она не соответствовала нормам ПДК (табл.2) и требовала доочистки.

Таблица 2

Гидрохимическая характеристика сточных вод (в числителе min и шах значение показателя, в знаменателе - среднее)

Объект иссле- Г ' 1 1 э: i епк5 N03" nh4* Р043"

дования 1мгОг/л| 1 1 мг02.'л мг/л мг/л мг/л МГ/Л

'ьгбо одное 1 1 136-50 | 3,7-7,2 0,62-1,96 0,053-0, 105 1,3-4,1 0,085-0,6

хозяйство 1 47,2 | I 1 5,79 1.21 0,086 2,67 0,39

точные воды 1 1 l76-207| 8, 2-¡30,8 357-687 0,12-1, 2 1,1-9,5' 102-320

винокомпле-ica 1136 | | | 36,3 539 0,53 5.23 215

аналиэационные 1 1 140-120| _ 0,65-2,3 0,ЗГ 1, 25 11,6-35 0,09-1,25

точные воды 1 80,0 | 1 ' ■ 1 0,95 0-/5 22,5 0,8

ЗК 1 1 |не>15 | 1 1 не > 3 40,0 ....... 0,08 0,5 0,25

•■ Особенно много (до 4 мг/л) в сточных водах рыбоводного хозяйства

содержалось" аммонийного аЭота. Для его снижения с помощью водных

растений до ПДК в зависимости от начальной концентрации требовалось

от 3 до 10 суток. По способности снижать содержание аммония В стоках

какрофнты холодолюбивсго комплекса ложно расположить в следующий

о

ряд: рдест > уруть > элодея канадская > ряска трехдольная > роголистник. Теплолюбивого: листия > хара > элодея густолиственная > ряска малая > валлиснерия. Содержащиеся в более низких количествах в стоках нитраты, нитриты и фосфаты удалялись макрофитами полностью в течение 2-5 суток.

Рыбоводное хозяйство ТЭЦ-10 сбрасывает'сточные воды в 3 ' последовательно соединенные пруда. Доочистка стоков в них осуществляется за счет стихийно формирующихся биоценозов и под действием абиотических факторов. Для интенсификации процессов очистки один из прудов был засажен элодеей канадской, роголистником, урутью и ряской малой. Результаты анализов показали, что макрофиты приводили к снижению всех определяемых показателей (табл.3). Так эффект очистки по ХПК составил 36,2 %, по БПК5 23,4 по нитратен 66,7%, по нитритам 80'

%, по аммонию 58,4 % по фосфатам 5 3,6 %■

Таблица 3

Результаты гидрохимических анализов воды.в прудах через 10 суток после посадки макрофитов

[ ^^"^--^^Покаэатель 1 ХПК ВПК 5' Н03" МО 2 ~ !Ш4 * Р043' (

| Объект | мгОй/л МГО?/л мг/л мг/л мг/л . МГ/Л | 1

1 Пруд без макрофитов | 14,4 " 3,0 ' 1.8' 1,05 1 ,25 • 1 0,55 |

(Пруд с макрофитами | 1 , ... 1 9,2 2,3 0,6 0,21 О , 52 0,26. | 1

Из данные лабораторных и натурных экспериментов следует, что наиболее перспективны• для очистки, стоков рыборазводного хозяйства Следующие макрофиты: хара, уруть, рдест, элодея канадская. Оптимальная плотность посадки 2-3 кг/м3 ■ •• Максимальный прирост фитомагсы в процессе очистки давали пистия и элодея канадская. Таким образом ВВР и водоросли эффективно очищал сточные воды рыбоводного хозяйства до уровня ПДК в течение нескольких дней.

6.2. Очистка канализационных сточных вод. Гидрохимические характеристики сточных вод правобережных КОС г.Иркутска после стадии.

биологической очистки активным илом даны в табл.1. Содержание аммония в отдельных пробах превышало нормы ПДК в 70 раз. Количество нитритов и фосфатов не было_ так велико, но и оно превышало ПДК в некоторых случаях в 5-10 раз.

Все исследуемые растения полностью элиминировали нитраты в течении 2-5 суток. По способности удалять нитраты макрофиты располагались в следующий ряд: рдест гребенчатый > многокоренник > нителла > рдест пронзенолистньи^ > уруть > элодея канадская.

Низкие концентрации фосфатов {до 0,1 мг/л) нителла и рдест гребенчатый элиминировали на 100 % в течении суток, элодея, рдест пром-зеннапистный и .многокоренник за 3, уруть за 5 суток. Фосфаты в количестве более 1 мг/л все макрофиты, за исключением урути, полностью удаляли в течении 3-7 суток. В отличие от нитратов, их лучше элиминировала нителла. Остальные макрофиты располагались и той же последовательности что и в случае с нитратами.

Нитриты из канализационных сточных вод наиболее активно удаляли рдест гребенчатый и нителла. При высоких концентрациях (более 0,5 мг/л) 100 % эффект очистки в течение•опытов достигался не всеми видами макрофитов.•Не смотря на высокое содержание аммонийного азота в стоках (более 30 мг/л), все исследуемые макролиты эффективно его пог-лощйли. и степень очистки за 10 суток составляла от 85 до 100 %. Особенно хорошо элиминировал NH4 многокоренник. Аммоний в количестве 25 мг/л он снижал па 50 % уже через сутки и на 100 % через 5 суток. По способности снижать содержание аммония в стоках, растения можно расположить в следующий ряд: многокоренник > рдест гребенчатый > нителла > уруть > рдест пронзеннолистный >• элодея канадская.

Обобщая данные этой группы экспериментов можно сказать, что все исследуемые макрофиты эффективно поглощали биогены и, следовательно, ■ могут' быть рекомендованы для доочистки' городских канализационных сточных вод. Нитраты и нитриты лучше элиминировал рдест гребенчатый, фосфаты - нителла, аммоний- многокоренник.

6.3. Очистка сточных вод свиноводческого комплекса. Сточные во' ды Усольского свинокомплекса после стадии биологической очистки по гидрохимическим параметрам не укладываются р требуемые нормы (табл,1)". Из-за отсутствия в схеме биологической очистки стадии де-нитрификации,. особенно велико в них содержание нитратов .(до 600 иг/л). Проведенные исследования показали, что, применяемые для доочистки макрофиты изъять такое количество нитратов не могут. Лишь

после предварительного разбавления сточных вод и 10 раз можно добиться снижения их содержания на 70 - 80 % некоторыми видами макрофи-тов (пистий, рдест, xapaj уруть). Все исследуемые макрофиты, кроме валлиснерии и ряски трехдольной, могли снижать содержание нитратов до норм, разрешающих сброс в водоём, еспи первоначальная их концентрация не превышала 50-70 мг/л. .,

Содержащееся в стоках количество фосфатов, растения без предварительного разбавления также изъять не могли. Макрофиты снижали содержание фосфатов на 65 - 75 если первоначальная их концентрация в сточных водах была не более 15 мг/л. Лучше всех элиминировали фосфаты рдест и нителла, хуже валлиснерия. Находящиеся в сточных водах свинокомплекса в небольших количества аммоний и нитриты все исследуемые растения снижали до норм ПДК за 5-15 суток (в зависимости от исходного содержания и вида макрофита). Аммоний и нитриты лучше удаляли пистия, уруть и хара, хуже валлиснерия.

Наряду с лабораторными были проведены полупромышленные испытания гидроботанического способа очистки сточных вод свинокомплекса. Использовали комплекс макрофитов, состоящий иэ элодеи канадской, рдеста пронэеннолистного, урути колосовой, роголистника темно-зеленого, ряски трехдгльной и ряски малой. лагодаря инкубированию гидрофитов со сточных вод, все показатели через 15 суток достигали значений ПДК или были близки к ним (табл.4). Прирост фитомассы водных растений в полупромышленных экспериментах в среднем на 25-30 X превышал таковой в лабораторных опытах! Таким образом на основании лабораторных и полупромышленных исследований показана возможность использования макрофитов для доочистки сточных вод свиноводческих комплексов.

6.4. Технологический регламент. В сложных климатических условиях Восточной Сибири реализация гидроботанического способа в зимних условиях .-возможна только в искуственных сооружениях закрытого типа. Поэтому нами был разработан технологический регламент по доочистке сточных вод свинокомплексов макрофитами в закрытых бассейнах с подогревом и подолнительным освещением в зимнее время. Техническое описание бассейнов, технологической схемы и самого процесса доочистки дано в тексте диссертации.

6.5. Рекомендации по утилизации излишней биомассы. Учитывая, что макрофиты интенсивно поглощают биогены, а следовательно, и эффективно очищают поду лишь в период'активной вегетации и при опти-

Таблица 4

Результаты полупроизводственных экспериментов по доочнстке сточных вод Усольского свинокомплекса макрофитами (освещение естественное, июнь-август)

1 1 |Анализируемые | Исходное зна- 1 I Конечное эна- 1 Степень 1 очистки 1

(показатели I чение , мг/л |чение, мг/л по отношению к |

0 сут. 1 10 сут. | контролю, % |

|хпк контроль | 160 1 1 130 а 8 1

опыт | 160 1 36 77, 5 1

|бпк5 контроль| 34 ,4 1 26, 4 23, з 1

опыт I 34 ,4 1 1, 7 96, 9 • |

Ыо3- контроль| 23,0 1 23, 0 0

опыт I 23 ,0 1 5, 0 78, 3 ' |

|ш2~ контроль| • 1 ,3 1 1, 0 23, 1 |

опыт | 1 1 о, 1 92, 3 |

|нн4* контроль 1 10 ,5 • 1 6, 4 39, 1 1

опыт 1 10 , 5 1 0, 4 96, 2 1

|ро43- контроль| 18 ,8 1 .19 , 1 .. 0

1 опыт I 1 18 ,3 1 б, 1 2 72, 4 1

Примечание: контролем служил бассейн со сточной водой без до* бавления макрофитов.

мальной биомассе, во избежании вторичного загрязнения рекомендуется 2 раза за лето и осенью изымать наросшую фитомассу. К сожалению, до настоящего времени водные растения слабо применяются в кормлении рыб и сельскохозяйственных животных, хотя важнейшим направлением в снижении себестоимости выращивания товарной рыбы и мяса должно быть использование местных дешевых высококачественных кормов, к каковым относится и водная растительность прудой биологической очистки.

В плане возможного применения макрофитов а качестве' кормов для рыб, была отобрана группа растений, дававшая наиболее хорошие результаты по очистка и определен их химический состав. Сопоставление уровня питательных'веществ в накрофитах с их содержанием в травяной и пшеничной муке, широка используемых для кормления рыб, свидетельствует о перспективности их использования в рыбоводстве и животноводстве. Наиболее полноценным составом по содержанию питательных ое-

щесгв обладают пистия, ряска и элодея. Исходя из. полученных нами данных-по химическому составу макрофитов и имеющихся литературных данным по их поедаемости рыбами (Келдыбеков, 1981), для практического применения могут быть рекомендованы ряска и элодея канадская. Глава 7. Матенатичаское моделирование процесса доочисткн срочных.вод рыборапподного хозяйства накрофитани на основе экспериментальных данных.

На основании полученного экспериментального материала,- нами, совместно с Е.А.Зиловым, была предложена математическая модель,' опи;-сывающая очистку стоков рыбоводного хозяйства макрофитами и прирост фитомассы. Все расчеты велись относительно аммония - приоритетного загрязнителя рыбоводных сточных вод. Процесс 'очистки описывается системой уравнений следующего вида:

B,[t+1] = B|[t] + B,[t] * (Djj* C,[t] + Q, * f); Cj [t + 1 ] = Cj [t] + Cj [ t] * (Kjf + H) , * B,[t]*f + Ajj*B][tJ*p); где, В - вектор биомассы макрофитов (i видЬв), С - вектор концентрации загрязнителя (j веществ), Q - вектор зависимости скорости роста гидрофитов от температуры, К - вектор абиотической элиминации' загрязнителей, D - матрица зависимости скорости роста гидрофитов от концентрации загрязнителей, И - матрица зависимости элиминаций загрязнителей от плотности посадки гидрофитов и температуры-, А - Матрица зависимости элиминации загрязнителей от плотности посадки гидрофитов и кислотности,, f - значение температуры, р - значение pHi t -время от момента начала процесса.

Модель позволяет с одной стороны, просчитывать снижение концентрации биогена в зависимости от рлотности посадки макрофитов, температуры воды, рН,_ а с другой прирост биомассы макрофитов в зависимости от текущего значения концентрации загрязнителя, температуры' воды и рН. Модель способна анализировать-взаимодействие пяти видов гидрофитов (хара, уруть, валлиснеруя, элодея и роголистник) с тремя азотсодержащими веществами (аммонийный, нитритиый и нитратный ионы).

Модель реализована в виде, программы на языке С++ и работает на IBM - совместимых ггерсона^ьных компьютерах в режиме, диалога. Возможны два варианта работы системы. Расчет может идти до достижение ПДК, либо до указанного заранее срока очистки. Примеры модельных расчетов относительно аммонийного азота приведены в тексте диссертации. Модель позволяет оперативно, не проводя трудоемких' опытов, оценить разные варианты использования макрофитов, их сочетаний,, оптимизиро-

1 7

вать режим работы.

ВЫВОДЫ

1. Гидрофиты проявляли повышенную, устойчивость к биогенам. Соли азота .и фосфора не оказывали существенного влияния на их физиологические параметры в области концентраций от 100 мг/л до 1 г/л. Низкие концентрации, напротив, стимулировали рост растений. Высокая толерантность макрофитов к солям азота и. фосфора, позволяет активно использовать последние для доочистки сточных вод от биогенов.

2. Изучены в лабораторных и полупромышленных условиях закономерности процессов элиминирования солей азота и фосфора из модельных растворов и сточных вод свинокомплексов, рыборазводных хозяйств и канализационных сточных вод погруженными макрофитами, представителями флоры Сибири, в том числе байкальскими эндемиками.

3. Выделены наиболее значимые факторы, влияющие на степень элиминирования биогенов макрофигами и найдены их оптимальные значения: биомасса макрофитов - 3 г/л, температура для холодолюбивого комплекса - 13+2 °С, для теллолвбивого - 20±2 °С, рН-7.0±1.

4. С помощью методов математического планирования и регрессионного, анализа получены уравнения регрессии для ряда байкальских водорослей, адекватно описывающие изучаемый процесс. Клядофора, драпар-нальдия и нителла способны извлекать сбли азота и фосфора из растворов при низких (до 5 °С) температурах и, следовательно, участвовать в процессах самоочищения водоемов в течении всего года.

.5. Для наиболее распространенных макрофитов водоемов Восточно^ Сибири по. их способности удалять ЕЭ построены ряды активности в порядке убывания по отношению к аммонию, нитратам, нитритам, фосфатам, Аммоний лучше всех элиминировали многокоренник и нигелла; нитраты -рдесты, уруть; нитриты - рдесты, хара; фосфаты - нигелла, рдесты.

6. Количество нитратов, накапливаемых макрофитами, повышалось по мере увеличения их концентрации в.инкубационной среде. Свет и наличие в наружной растворе глюкозы снижали концентрацию нитратов в растениях. •

7. Показана, в том числе и в полупроизводственных экспериментам со сточными водами свиноводческих, рыбоводных хозяйств и городских' коммунальных стоков перспективность использования в условиях Восточной Сибири высокоэффективного, технически простого и дешевого способа очистки сточных вод от биогенов с помощью погруженных макрофитов, Разработан , технологический регламент доочистки макрофитами сточных

вод свинокомплексов в закрытых бассейнах с дополнительным подогревом И подсветкой в зимний период.

а. Выращенные на сточных водах макрофИты дают высокие урожаи зеленой массы, которая по химическому составу близка к зерновым культурам.- Наиболее полноценным составом по содержанию питательных веществ обладают элодея канадская и многокоренник обыкновенный.

9. На основании полученного материала была предложена математическая модель доочистки стоков рыбоводного хозяйства, позволяющая с попощьс машинных экспериментов оперативно оценивать разные варианты использования макрофигов, их сочетаний, оптимизировать режим работы.

Материалы диссертации изложены в следующих основных работах:

1. Стом Д.И., Атавина Т.Г., Рот Р., Вернер Д. Флюорометрическое изучение влияния ряда фенолов и п-бензохинона на клетки Ciclotella críptica //Экспериментальная водная токсикология. Рига, 19В1. ВЫП.7. - С.45-51.

2. Стом Д.И., Гиль Т.А., Белых Л.И., Атавина Т.Г., Ломоносов И.С. Токсикологическая оценка сточных вод ТЭЦ, работающей на сернистом мазуте //Теплоэнергетика. Москва, 1984. - N.8. - С.56.

3. Атавина Т.Г. Действие сточных вод химфармкомбината на выживаемость гаммарусов //IV конф.мол ученых ИГУ. - Тез.докл. - Иркутск,

1986. - С.36. •

4. Атавина Т.Г., Петрова И.В., Жук И.П., Шахова Г.В. О возможностях взаимной детоксикации серосодержащих и фенольных соединений в стоках предприятий ЦБК //Экспериментальная водная токсикология.- Рига, 1987. - С.234-244.

5. Казаринова Т.Ф., Атавина Т. Г., Зубарева Л.Д., Болмасова С.И. Исследование влияния сточных Вйд химфармкомбината на гидробионТы // Труды XXIX Гидрохимического совещания. Тез.докл. - Ростов-на-Дону,

1987. - Т.2 - С.80-81.

б. Саксонов М.Н., Атавина Т.Г. Метод биотестирования по интенсивности флуоресценции хлорофилла клеток нителлы //Методы биотестирования вод. Черноголовка, 1988..- С.94-95.

7. Стом Д.И., Гиль Т.А., Балаян А.Э., Саксонов М.Н., Атавина Т.Г. Методы биотестирования вод //Методические указания для студентов.- Иркутск: иэд-во ИГУ, 1989. - 24 с.

8. Атавина Т.Г., Белянин В.Н., Стом Д.И., Болсун.овский А.Я. Влияние фенолов на рост микроводорослей в смешанной культуре . //Биологические науки. - 1989. - N 4. - С.39-42.

9. Зилов Е.А., Стой Д.П., Беляев A.A., Храмцова Т.Г. и др. Исследование эвтрофироваиия и токсикации с использованием мезокосмов на озере Байкал //1 Межд. байкальская Верещагинская конф., окт. 1989. -Листвянка. - Таз.докл. - Иркутск, 1989. - C.4fv.

10. Silow Е.А., Stom D.I., Kchramtzova T.G. et. al influence of Biogenes Elements on Components of Lake Baikal Plankton //Acta Hyd-röohim. et Hydrobiol¡ - 1991. - Vol.XX. - N 6. - 1991. P.629-634.

11. Меньшикова O.A., храмцова Т.Г., Стом Д.И. Доочистка сточных вод свиноводческих комплексов иакрофитами. Водные ресурсы. - 1994.-Т.21, N 3. - С. 333-334.

12. Храмцова Т.Г., Стом Д.И. К вопросу о элиминировании биоге-ноа макрофигами //¡-¡ежд. конф.: Фундаментальные и прикладные проблемы охраны окружающей среды ПООС-95. Тез.докл. - Томск, 1995. - С.311.

13. Храмцова Т.Г., Стом Д.И., Выгода В.Н. Использование макро-фитов для доочистки канализационных стоков //Проблемы экологии: материалы V Международной конференции. Новосибирск, 1995.- Т. - С.

14.'Храмцова Т.Г., Выгода В.в. Эффект нитратов, нитритов, аммония и фосфатов на рост побегов элодеи ка:.адской //Экологически . чистые технологические процессы в решении проблем охраны окружающей среды. - Международная конференция.' Иркутск, 1996 г. - Т.2. - С.166.

15. Храмцова Т.Г. Применение макрофнтов для доочистки сточных вод рыбного хозяйства ТЭЦ-10 //Решение проблем охраны окружающей среды и рационального использования ресурсов в Иркутской энергосистеме. Тез.ДОКЛ. - Иркутск, 1996. - С.132-133.

16. Храмцова Т.Г., Стом Д.И., Меньшикова O.A. Гидроботанический способ доочистки сточных ьод свиноводческих комплексов / ' Международная научно-практическая конференция "'человек-среда-вселенная". Тез.докл. - Иркутск, 199?. - Т.1. - С.81-82.

17. Gil Т.A., Kazarinova Т.F., Zaitsev I.V., Stom D.I. The consumption of nicroorganiaas by the Baikal sponge //Birkhauser Verlag. Basel, Switzerland. Fresenius Envir Bull. - 1997. - N 6. - Vol. 7/87 - P. 444-449. ° ■

Редакционно-издательский отдел Иркутского государственного университета 664000, Иркутск, бульвар Гагарина, 36.