Ботаническая площадка для доочистки сточных вод как биоинженерное
сооружение.ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
ПРИРОДООХРАННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
ВОДА И ВОДОЕМЫ
ОЧИСТКА ОЗЕР
От чего ныне болеют пруды, озера, даже моря? Они не способны "переварить" то, что в них поступает с окрестными стоками, с осадками в виде дождя, снега, пыли. Множество веществ - от банальных стиральных порошков до таинственных, не всегда расшифрованных, обрушивается в воду, стимулируя бурное развитие водорослей, в основном одноклеточных. Водоем зацветает. Где рост, там и распад. Чтобы справиться с обилием отмирающих организмов, бактериям-очистителям нужен кислород, много кислорода. Его, как самый страшный дефицит, расхватывают в поверхностном, привоздушном слое, вся глубина задыхается, превращаясь в гниющую зловонную кашу.
Способ лечения понятен: или урезать питание, сократить безумный приток посторонних веществ, или ускорить "пищеварение". Химик трясет пробирку, чтобы реакция прошла полней. Загрязненную воду надо хорошо перемешивать и насыщать кислородом. Поэтому на городских станциях аэрации, где кончается путь канализационных стоков, денно и нощно гудят могучие компрессоры. Они нагнетают воздух в дырчатые трубы, проложенные по дну очистных бассейнов-аэротенков. Легко ли осилить противодавление воды, рвущейся внутрь воздуховодов, перемешать содержимое бассейна воздушными пузырями, насытить его столь необходимым кислородом?
Финские специалисты в содружестве с СП "Корус" предложили свой вариант этого способа. Запатентованный секрет фирмы - в воздуховодах. Легкий и дешевый шланг из поливинилхлорида содержит на одном погонном метре шестьсот воздушных сквозных насечек, своего рода клапанов, открывающихся лишь для того, чтобы пропустить очередной микроскопический пузырек воздуха. Небольшой турбонагреватель на берегу или на плотике, гибкие воздуховоды, притопленные грузилами по профилю дна,- вот и все.
МАГНИТНАЯ ОЧИСТКА ВОДОЕМОВ
Бурно растущие водоросли угрожают чистоте живописного озера Уиндермер в Англии. Главной причиной их активного размножения служит изобилие фосфатов в озере, попадающих туда со сточными водами в ходе разложения бытовых отходов и моющих средств. Как же остановить этот фосфатный поток?
Одна голландская фирма предложила такой путь. В имеющиеся стоки следует добавлять вещество, содержащее магнетит. Когда фосфаты надежно химически свяжутся с магнетитом, весь поток сточных вод пропускать через зазор мощного электромагнита. Магнитное поле, действуя на магнетит, "заодно" начинает концентрировать и фосфаты. В результате почти все они окажутся надежно задержанными на металлических сменных фильтрах и не попадут с проходящим потоком в озеро. А водоросли, лишенные там своей естественной пищи, в конце концов отомрут сами.
ОЧИСТКА ВОДЫ В БАГАЖНИКЕ
Чтобы получить из рек, озер или оросительных каналов безукоризненно чистую питьевую воду, можно воспользоваться переносным устройством, созданным в Венгрии. Оно было опробовано также в разных странах Азии и Африки, где работали специалисты из Венгрии и совершали дальние рейсы венгерские грузовые автомобили. И везде это устройство оправдывало себя. Вода проходит через песчаный фильтр с осветляющими примесями, затем - поглотитель с активированным углем, через фильтр, улавливающий паразитов, и наконец электрохлорирующий прибор, который на месте приготовляет раствор, содержащий хлор для дезинфекции. Напоследок запах хлора удаляется с помощью витамина С.
Задание.
Нарисуйте схемы фильтров. Какие еще методы очистки можно применять совместно с ними?
ЯД ЯДОМ УДАЛЯЮТ
В одном из загрязненных ртутью озер на севере Швеции рыбная ловля была запрещена с 1979 года. Но в последние пять лет шведы стали как бы умышленно ухудшать состояние озера, обрабатывая его селеном, тоже тяжелым и чрезвычайно вредным металлом.
Только за первый год содержание ртути в мясе щуки упало на 50%, окуня на 70%, плотвы - на 92%, и затем продолжало непрерывно снижаться. Селенид ртути, продукт реакции между ртутью и селеном, не растворим в воде и биологически не активен. Поэтому он полностью исключается из всех пищевых циклов, выпадая в осадок на дно озера.
Главная проблема здесь состоит в непрерывной и точной дозировке селена - ведь его избыток способен наделать не меньше бед, чем ртуть.
Задание.
Предложите способы внесения селена в озеро.
КАК ЗАМЕДЛИТЬ АНТРОПОГЕННОЕ СТАРЕНИЕ ОЗЕР
Одни озера умирают сами по себе с течением времени, а другие - под влиянием хозяйственной деятельности человека. Жизнь любого озера имеет свои начало и конец. В своем развитии озеро проходит несколько стадий: формирование, естественное старение и умирание. Время жизни озер различно. Такие крупные озера, как Байкал и Танганьика в Африке, существуют уже много миллионов лет. Существуют и совсем недолго живущие маленькие озера в районах вечной мерзлоты или, например, провальные озера в Новгородской и Архангельской областях. Время протекания разных стадий жизни у разных озер также неодинаково. Есть озера, которые образовались в течение нескольких часов. Так, например, Сарезское озеро на Памире возникло в 1911 г. в результате землетрясения, когда в долину реки Мургаб с пятикилометровой высоты обрушилась огромная скала, запрудившая русло. Медленно формировались большие озера - Ладожское и Онежское: они образовались десятки тысяч лет назад при отступлении ледника.
По разному происходит и старение озер. Многие озера заполняются донными отложениями и превращаются в болота. Заметно старение озер Ладожского, Севан, Балхаш и др. Оно сопровождается появлением большого количества водорослей (цветение воды) из-за избытка так называемых биогенных элементов (фосфора, азота), замещением ценных форелевых пород рыб сиговыми и, наконец, карповыми породами. Интенсивное цветение водоема свидетельствует о глубочайших изменениях в его экосистеме. Значительно возросло количество азот- и фосфорсодержащих веществ, поступающих в воду вместе с минеральными удобрениями, со стоками предприятий алюминиевой промышленности, с моющими средствами... Все это способствует антропогенному или, как говорят, "культурному" старению озер. Процессам старения сопутствует уменьшение содержания в воде растворенного кислорода и снижение прозрачности воды, а также повышение интенсивности процессов гниения.
Можно ли прекратить, приостановить, замедлить процесс старения и загрязнения озер? Если естественное старение озера остановить нельзя, то, оказывается, антропогенное старение можно замедлить или вообще прекратить. Для этого существует достаточно много способов.
Существенно замедлились темпы антропогенного загрязнения озера Эри в Северной Америке после того, как в результате принятия радикальных мер уменьшилось поступление биогенных веществ от предприятий, сброс биогенов с полей и поступление в воды озера моющих средств. Кардинальной мерой борьбы может считаться отведение стоков не только из озера, но и с водосбора. Введение очистки вод с изъятием из стоков фосфор- и азотсодержащих веществ эффективно, но сильно удорожает экологические мероприятия. Поэтому необходим переход на новые технологии оборотного водоснабжения, в том числе - безводные технологии.
Существуют способы, позволяющие переводить биогены стоков в форму, мало приемлемую для использования водорослями. Например, если добавлять к стокам сульфат меди, это приводит к осаждению биогенов и переходу их в малодоступную для водорослей форму. Такой опыт проводился в течение 58 лет на озере в штате Миннесота.
Для малых озер и водохранилищ применяется сбор специальными машинами макрофитов. Можно удалять их и спуская воду из водоемов. При наступлении ледостава водоросли вмерзают в лед. Затем, когда уровень воды в озере повышается, происходит вырывание растений. Представляется целесообразной изоляция дна водоемов, так как загрязнения концентрируются в донных отложениях. Когда озеро замерзнет, лед можно покрыть полиэтиленовой пленкой и засыпать его песком. После того, как лед растает, пленка равномерно покроет дно. Можно также углубить озеро, это способствует расслоению вод по температуре, которое препятствует их перемешиванию и поднятию донных отложений.
Существуют и биологические методы борьбы со старением озер, или экотехнология. Можно способствовать развитию травоядных рыб, которые, потребляя в массовых количествах растительную пищу, изымают из водной экосистемы биогенные вещества. Качество вод озера можно улучшить путем разведения хищных рыб, которые уничтожают рыб, потребляющих планктон. При этом возрастает численность рачков - фильтраторов, что способствует очистке воды. Такой эксперимент был выполнен на озере Раунд (Канада). При этом прозрачность воды увеличилась за два года с 2 до 5 м.
Можно ли бороться с закислением вод озер и каковы пределы этого закисления? Остановить этот процесс может только сокращение выбросов в атмосферу соединений серы и азота. Для этого необходимо не только совершенствовать очистку выбросов, но и переводить предприятия на такие виды топлива, как газ.
Существуют районы, в которых озера самой природой защищены от закисления. Обычно там преобладают известняки и доломиты, которые легко вступают в реакцию с кислотами. В районах, сложенных изверженными породами - гранитами, гнейсами, базальтами - с тонким почвенным покровом, опасность закисления наибольшая.
Вопросы.
Какие из предложенных способов очистки озер наиболее эффективны? Почему? Какие еще способы очистки озер вы можете предложить?
БИОЛОГИЧЕСКАЯ ЗАЩИТА ВОДОЕМОВ
Самое простое определение того, что можно назвать чистой, биологически полноценной водой, звучит так: это прозрачная вода без запаха и цвета, в которой неопределенно долго могут без вреда для себя существовать водные организмы. Именно такая вода становится все большим дефицитом, все сильнее мы страдаем от ее недостатка.
В чем же состоит чудесный секрет, которым владеет Природа, заключающийся в том, что только она одна способна дарить нам идеальную по качеству воду? Это секрет человечеству удалось разгадать, и его необходимо использовать. Дело в том, что в естественных условиях, первоначально непотревоженной человеком Природы, подчас происходило ухудшение качества воды, но вода сама собой постепенно "исправлялась".
Обычная речка имеет четыре взаимозависимых природных механизма самоочищения воды. Рассмотрим первый. Представим себе речку, извилистое русло которой выносит воду на широкий плес с замедленным течением. Низкий берег здесь порос различными растениями, часть из них выступает из воды, а часть полностью уходит под воду. Существуют еще и растения с плавающими на поверхности воды листьями или вообще свободно плавающие растения. К первой группе следует отнести манник или тростник, ко второй - многие виды рдестов, к третьей -гречиху земноводную, кубышку, ряску. В зарослях водных растений бурно кипит жизнь: ползают по стеблям улитки, разные рачки, прячутся личинки насекомых, в илистый грунт забиваются черви и комары- драгуны, на живых и неживых предметах под водой селятся водоросли эпифитона. В каждой капле воды, взятой отсюда под микроскоп, обнаруживаются тысячи различных микроорганизмов. Все вместе - растения, животные и микроорганизмы - составляют единую совокупность, биоценоз, выполняющий фильтрующую, окислительную и деминерализующую функции, а вода оставляет здесь большую часть органических и минеральных взвесей, микроорганизмов и солей. С другой стороны, эти заросли служат естественным барьером для загрязняющих веществ, смываемых с берега, например, во время дождя.
Второй механизм дезактивации можно проследить на песчаном пляже, куда загрязняющие вещества выносятся с набегающими волнами и уходят в песок, который обладает прекрасной фильтрационной способностью.
Третий механизм наблюдается у высокого берега, где в реке образуются глубокие ямы - омуты, выполняющие роль ловушек- отстойников. На дне омутов происходит медленное разрушение различных органических остатков, в том числе, трупов животных, до полной их минерализации. Кислород сюда не попадает, вместо процессов гниения здесь протекают процессы брожения с образованием метана, сероводорода и других продуктов бескислородного, анаэробного процесса распада.
Наконец, четвертый механизм самоочищения связан с обогащением воды кислородом на каменистых мелких, быстрых и шумных перекатах. Вода здесь хорошо просвечивается до самого дна.
Уровень активности обменных процессов в водоемах и водотоках зависит от концентрации в воде некоторых особенно важных, можно сказать, ключевых элементов. В первую очередь, это фосфор и азот, иногда кремний. С повышением их содержания увеличивается концентрация в воде живых организмов и продуктов их жизнедеятельности. Главным образом, это микроводоросли. До определенных пределов повышение их числа для водоемов не опасно, хотя чаще всего и не желательно, так как вкусовые качества воды снижаются, а главное, засоряются водосборы. Однако, повышение некоторых границ концентрации микроводорослей, которые для разных водоемов и условий разные, может приводить и к резкому ухудшению качества воды. Обычно это связано с превышающим нормы развитием одного или двух видов водорослей в ущерб развитию остальных видов, вода приобретает зеленый цвет (говорят, что наступило "цветение" воды). Процесс безостановочно развивается до тех пор, пока не начинается их массовая гибель. Продукты распада делают воду непригодной для питья или для существования других гидробионтов (водных организмов).
Условия развития таких выходящих из-под контроля естественных природных регуляторных механизмов в большинстве случаев нам понятны. Обычно процессу цветения способствуют увеличенные концентрации фосфора (реже азота), повышение температуры воды и плохое ее перемешивание (застойные условия). Например, явление "цветения" воды, вызываемое сине- зелеными водорослями, было особенно характерным в первые годы после регулирования Днепра в результате затопления больших площадей и создания днепровских водохранилищ.
Таким образом, явление "цветения" воды должно быть более характерным и типичным для искусственных водных объектов -каналов и водохранилищ, чем для естественных - рек и озер, где обменные процессы хорошо отрегулированы природой в течение тысячелетий. Вообще говоря, в идеально сбалансированном водном объекте, водной экосистеме процессы новообразования и распада органического вещества (ученые говорят "продукции" и "деструкции") взаимно уравновешивают друг друга. Это позволяет сохранять без изменения во времени "трофический статус" водоема, т.е. концентрации в воде основных солей, в том числе фосфора и азота, а следовательно, и биомассы живых организмов.
Разобравшись в механизмах самоочищения природной воды, мы в состоянии использовать и активировать эти механизмы. Так, в промышленных сооружениях для очистки коммунальных и некоторых промышленных сточных вод применяют специальные закрытые установки, в которые закачивают кислород (воздух) - аэротенки. На специальных перегородках происходит расселение гетеротрофных микроорганизмов - мелких беспозвоночных животных типа коловраток, которые все вместе формируют так называемый активный ил - биохимическую фабрику переработки. Температура, рН, условия перемешивания, внесение добавок и окислителей (кислорода) - все должно служить в интересах интенсификации гидробиоценоза, составляющего активный ил. В последние годы все большее распространение получают реакторы, в которых процессы распада осуществляют в безкислородных условиях, так называемых метатенках, поскольку одним из главных продуктов распада является газ метан. Они отличаются более высокой эффективностью, чем аэротенки. Разумеется, видовой состав микроорганизмов активного ила здесь совершенно иной.
Жидкость из реакторов чаще всего поступает в так называемые окислительные пруды. Обычно это параллельный ряд открытых водоемов площадью до 0,5 га, глубиной около 1 м, в которых активно развиваются водоросли и болотные растения. Однако основную задачу по превращению обработанной в реакторах сточной жидкости в биологически полноценную воду окислительные пруды часто не выполняют. Поэтому спускаемая в приемный водоем жидкость уступает по качеству природной воде.
Для достижения более высокого эффекта очистки, а также для обеспечения круглогодичной работы в условиях средней полосы предложено создавать ботанические площадки. На рисунке представлена схема такой площадки.
Очистка происходит в двух горизонтах: верхнем, месте обитания гелофитов (там же расселяются аэробные микроорганизмы), и нижнем, где на специально заложенных твердых, химически инертных субстратах типа крупной щебенки или гальки, укладываемой рыхло с промежутками для тока жидкости, расселяются различные группы анаэробных микроорганизмов. Зимой, когда отмирают надземные побеги, процессы очистки протекают под слоем снега и льда в корневой системе растений и микроорганизмах. Конечно, скорости процессов обмена веществ зимой ниже, чем летом, в период активной вегетации растений.
Ботаническая площадка для доочистки сточных вод как биоинженерное
сооружение.
| 1 - входная трубка 2 - распределительная гребенка 3 - корневищный грунт 4 - песок 5 - гравий или щебень |
6 - подложка 7 - приемная траншея 8 - выпускная труба 9 - рогоз 10 - тростник |
Создание различного типа ботанических площадок должно стать важным элементом водоохранных мероприятий.
Задания.
Какие горные породы, промышленные и бытовые отходы можно использовать в ботанических площадках? Разработайте проекты таких площадок.
КАК ЗАМЫКАЕТСЯ ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ ЦИКЛ?
В свое время постройка целлюлозных комбинатов на берегах Байкала вызвала целую бурю страстей. За год вырубалось около семи миллионов кубометров лесов. Один Селенгинский комбинат сбрасывал за сутки 75 тысяч кубометров промышленных сточных вод.
Необходимо заметить, что строительство целлюлозных комбинатов вблизи Байкала - не столь уж явное головотяпство, как считают некоторые. Требуется увеличение производства бумаги, а оно, в свою очередь, невозможно без достаточного количества чистой воды. Но где же еще взять ее, как не из самого крупного пресноводного моря- Байкала?
Не следует забывать, что Селенгинский комбинат принял на себя функции лесного санитара. Он работает на бросовой древесине. Обычно она идет в отвалы, сжигается на лесосеках, гниет на просеках. Страшно сказать, но только в Иркутской области и Красноярском крае ежегодно гибнет в кострах около 15 миллионов кубометров отходов лесозаготовок из-за отсутствия мощностей по их переработке.
Конечно, можно возразить, что проще вообще прекратить рубки в водосборном бассейне озера и тем самым избавиться от необходимости иметь такого санитара. Но тогда возникает другой вопрос: чем компенсировать потерю почти четверти всей местной товарной продукции?
С 3 августа 1990 года опломбирована заглушка, преграждающая путь промышленным стокам в реку. Сейчас в нее сбрасывается только вода из бытовок, столовых, душевых. Как же удалось этого добиться?
Задача решалась в два этапа. На первом - максимально сокращался расход воды и соответственно уменьшался сброс. А на втором - сброс выходил на нулевую отметку и использовалась технология вывода солей из отработавшей воды. Реализация первого этапа не вызывала особых затруднений, и было реализовано много эффективных предложений. Так, для производственных нужд стали использовать не свежую воду, а прошедшую очистные сооружения. По сухому методу начали обрабатывать древесину в подготовительном цехе. Для промывки целлюлозы дополнительно подали конденсат выпарного цеха. Просмотрели внимательно технологическую цепочку и устранили все утечки и переливы. В результате часовой сток сократился с 3300 кубометров до 240. Правда, резко возросла концентрация солей и минеральных веществ. Дальнейшее снижение стоков требовало решить проблему их вывода, так как в противном случае ухудшалось качество выпускаемой продукции.
Первоначально сравнивалось несколько методов очистки воды. В частности, предлагалось выпаривать стоки в специальной опреснительной установке, рассматривался вариант обессоливания на ионообменных фильтрах.
Интерес вызвал способ удаления солей, использующий климатические сибирские условия. Предлагалось поэтапно вымораживать стоки в особых резервуарах. Известно, что температура замерзания соленой воды несколько ниже, чем пресной. Весной соленая вода растает первой и сконцентрируется в нижнем слое, зимой же замерзнет последней и образует свой слой. Поэтапно удаляя соленые воды, можно на последних ступенях вымораживания получить опресненную воду. Лучшим был признан проект замкнутого водооборота.
Было предложено осуществлять деминерализацию сточных вод непосредственно в действующем технологическом потоке регенерацией химикатов, с повторным использованием их в производственном процессе.
Переход к замкнутому водообороту - лишь начало пути, первый шаг. Второй шаг - максимальное сокращение пылегазовых выбросов. Здесь тоже есть впечатляющие успехи. За пять лет атмосферные загрязнения сокращены вчетверо. Третий шаг -утилизация твердых отходов. Уже сейчас на основе отходов щепы и золы ТЭЦ начали получать прекрасные компосты, которые использует подсобное хозяйство. Тщательные анализы показали их полную экологическую безопасность. Создан цех, выпускающий шлакоблоки из золы ТЭЦ.
Наконец, еще один шаг, который приблизит целлюлозную промышленность к экологически приемлемому производству. Это увеличение глубины переработки лесного сырья. Как известно, древесина содержит не только целлюлозу. Уже сейчас из нее получают таловое масло, скипидар, другие продукты лесохимии.
Задания.
Составьте модель технологического процесса на целлюлозном комбинате. Предложите другие способы использования отходов производства.
ОЗЕРАМ ПОМОГАЮТ ВОДОРОСЛИ
Состояние озера можно определить по внешнему виду. Опытному глазу очаровательные растения с белыми нежными цветами - кувшинками - рассказывают, что озеро уже достигло своей зрелости, и, чтобы оно не старело - не заболачивалось,- надо следить, чтобы вода в нем имела возможность самоочищаться. В природе с этим процессом во многом справляются водоросли, это так называемые растения-индикаторы, выявленные учеными Института биологии Академии наук Латвии. В зависимости от того, каков их вид - а в республике их более 180 - преобладает в водоеме, можно судить о степени его чистоты. Зачерпнуть стакан свежей воды можно из речки, где колышутся длинные пряди рдеста. Неповторим аромат белья, прополосканного в пруде, где растет аир. Приятно купаться в озере, где растет водяная лобелия. Секрет этих и других водорослей в том, что они обладают сильными бактерицидными свойствами, поэтому их присутствие в водоемах гарантирует чистоту воды.
Растениями-индикаторами являются и всем известные тростник и рогоз Эти водяные великаны питаются не только корнями, но и всем телом, тем самым способствуя быстрому очищению воды. Своеобразным зеленым фильтром, задерживающим минеральное вещество, служат густые заросли камыша.
Водоросли быстро и легко размножаются, поэтому ученые рекомендуют применять их для биологической очистки речек, небольших озер. Ведь сколько бы современными не были очистные сооружения, для каждого водоема их не построишь. А в этом, оказывается, и нет надобности: природа сама обладает мощными средствами, способными очищать воду в 100-150 раз быстрее механизмов.
Природоохранные меры способствовали также восстановлению полностью уничтоженных в Латвии бобров. И непревзойденные "гидробиологи" в своих водоемах поддерживают идеальную чистоту воды, старательно очищают их от ила и отмирающих водорослей. Поверхность озера должна волноваться, обогащаясь кислородом, от чего вода становится прозрачной и свежей. Поэтому хозяева "синих лугов" обкашивают водоросли, вырубают малоценные кустарники, открывая путь ветру, несущему водоемам здоровье.
Вопросы.
Почему погибают водоросли в озерах? Предложите меры сохранения водорослей.
ИНФУЗОРИЯ ТУФЕЛЬКА - НА ПРИРОДООХРАННОЙ СЛУЖБЕ.
Успешно прошла государственную аттестацию новая разработка ленинградских ученых на "Квант": "Биотестер-2" - прибор для экспресс-анализа уровня токсичности водных вред признан стандартизованным измерительным средством.
Работа прибора построена на хемотаксисе представителя одного из самых распространенных семейств простейших - инфузории туфельки (Paramecium caudatum). Парамеция быстро реагирует на неблагоприятную среду и перемещается в безопасную зону. Именно эти перемещения и фиксирует "Биотестер-2". Такая реакция туфельки моделирует возможную реакцию высших организмов на токсичные примеси.
Биотестирование не заменяет традиционные методы химического анализа. Однако "достижения" современной химии таковы, что порой трудно предугадать, какие именно примеси надо "вылавливать" в пробе, какая из сотен ПДК превышена. Неизвестно также, что именно может дать конкретное сочетание различных веществ, а возможных сочетаний - десятки тысяч. Парамеция же, "не разбираясь подробно", что именно попало в пробу - пестициды или ртуть -
подает сигнал тревоги: "Токсично !" После этого можно приступать к тонкостям традиционного анализа".
Таким образом, экспресс-биотестирование - это возможность прогнозировать ситуацию. Кроме того, данные выводятся на экран в цифровом виде, а быстрота экспресс- анализа ( 10 - 15 проб в час) позволяет в короткие сроки получить статистически достоверные данные.
Прибор предназначен для оснащения лабораторий; вести измерения может один человек с квалификацией лаборанта. Начат серийный выпуск "Биотестера-2" в стационарном и портативном варианте (который умещается в "дипломате").
С "Биотестером-2" врач СЭС, специалист-эколог, инспектор природоохранной службы смогут постоянно и без лишних затрат времени вести мониторинг токсичности водной среды.
БАКТЕРИИ ПРОТИВ НЕФТЯНОЙ ПЛЕНКИ
Американская компания "Альфа энвайронментел" разработала биологическую систему для уничтожения нефтяной пленки на поверхности моря. Смесь бактерий в концентрации и фосфорсодержащего соединения - питательной среды - в специальном резервуаре соединяется с морской водой и затем разбрызгивается по поверхности моря. Бактерии превращают углеводы нефти в углекислый газ, а жировые ткани становятся питательными веществами для обитателей моря.
Микробы, входящие в смешанную культуру бактерий, были открыты К.Оппенгеймером (Техасский университете, США). Метод успешно опробован в Карибском море , в 100 км от Техаса, где потерпел аварию норвежский танкер, выбросивший в море 4 млн. галлонов сырой нефти. В начале сентября 1990 г. его использовали и в Великобритании для борьбы с нефтяными пленками общим весом в 5 тонн.
ИЗ КАНАЛИЗАЦИИ - НА ПАСТЕРИЗАЦИЮ
Установка, недавно смонтированная в английском городе Хоршеме, быстро перерабатывает канализационные отходы в безопасное и почти не пахнущее удобрение типа перегноя.
Высушенный осадок из отстойников городской канализации смешивается с негашеной известью, отчего он разогревается до 50-60 градусов Цельсия. При такой температуре смесь выдерживается двенадцать часов, причем от этой пастеризации гибнут все болезнетворные микроорганизмы, а полезная почвенная микрофлора не страдает. Немаловажно и то, что при реакции с известью переходят в нерастворимую, то есть безопасную для окружающей среды, форму соли тяжелых металлов, содержащиеся в городских стоках. Затем смесь вылеживается три-четыре дня при периодическом перелопачивании, которое, как и все другие процессы на установке, происходит автоматически. Гранулированный конечный продукт используется как удобрение, а также для восстановления плодородия почв на местах бывших карьеров или свалок.
Вопрос.
Какие вещества из бытовых и промышленных отходов можно использовать для восстановления
почв?
ТРЕБОВАНИЯМ СТАНДАРТА НЕ ОТВЕЧАЮТ ┘
Нужно ли объяснять, что качество питьевой воды один из важных моментов в жизнедеятельности человека. По действующему закону, поставщик воды ≈ Елгавское водо-канализационное хозяйство ≈ обязан контролировать продаваемый продукт. И в названном ведомстве все происходит чин чинарем: есть своя лаборатория, занимающаяся проверкой качества питьевой воды, которая употребляется жителями из центрального водопровода. В свою очередь, надзор за холодной питьевой водой осуществляет и Елгавский центр здоровья среды. Руководитель сектора гигиенической экспертизы и эпидемиологии неинфекционных заболеваний Г. Кризский предоставил «НГ» результаты годового исследования.
Из коммунального городского водопровода в течение прошлого года всего отобрано 409 проб. По микробиологическим показателям не отвечают требованиям стандартов ≈ две пробы, по органолептическим показателям (вкус, цвет, мутность и пр.) ≈ 159 проб, по химическим показателям, в частности, по жесткости ≈ 368 проб, по содержанию железа ≈ 218 проб.
Надо сразу сказать, что последние цифры качества питьевой воды не наносят прямого ущерба здоровью человека, но влияют на некоторые процессы бытия. К примеру, в жесткой воде хуже стирается белье или появляются не весть откуда желтые пятна, на бытовой электротехнике появляется накипь. При повышенном содержании железа в воде хуже развариваются мясные, бобовые продукты, кофе, чай при заварке в такой воде имеют несколько иной вкус и т.д.
В волостях Елгавского района нет лабораторий, которые бы проводили систематический контроль качества холодной воды из коммунальных водопроводов, поэтому Елгавский центр здоровья среды переходит на договорные отношения с руководством волостей для определения качества потребляемой воды. Целесообразность таких отношений очевидна из полученных результатов контроля в прошлом году. Качество воды определяет и профилактические мероприятия, которые следует проводить.
В 16 волостях Елгавского района за год было взято на анализ 100 проб из коммунальных водопроводов. По микробиологическим показателям три пробы (в Калнциемсе, в Сесавской волости) не соответствовали стандартам, по органолептическим показателям ≈ 79 проб, по химическим показателям (содержанию железа и жесткость воды) ≈ 96 проб!
Приведенные выше цифры, а также анализы результатов работы Елгавского центра здоровья среды в ближайшее время будут переданы в Елгавскую думу и Елгавский районный совет. Есть надежда, что под сукно эти материалы не лягут, тем более, что у Елгавского водо-канализационного хозяйства есть проекты по существенному улучшению качества питьевой воды.
Вопрос ребром
По инициативе Елгавского центра здоровья среды в четвертом квартале прошлого года была проведена акция по определению качества горячей воды из центрального водопровода. Жители города, скажем так, особой активности не проявили в том, чтобы подать заявки на определение качества горячей воды в их квартирах. Однако пробы были взяты из разводящей сети центрального водопровода, как по личной просьбе квартиронанимателей, так и по инициативе. Центра, в разных частях города.
Оценка проб производилась по новым Правилам КМ от 21 июля 1998 года (N 256). Согласно этим нормам, температура горячей воды в системе центрального водоснабжения в местах водозабора должна быть не менее + 55 градусов и не выше + 70 градусов.
Из 50 проб 49 по температурному режиму не отвечали стандартным нормам! Другими словами, квартиронаниматели платят как за качественный продукт, не получая оного! Таким образом, вопрос может быть поставлен ребром. Снижение расценок на горячую воду ≈ это будет законным требованием квартиронанимателей. Тем более, что индивидуальных договорных обязательств у квартиронанимателей с теплосетями не существует. Следовательно, не могут быть узаконены другие температурные нормы подачи горячей воды в наши дома. Елгавскому обществу квартиронанимателей, а также старшим домов есть чем озаботиться, потому что права потребителей нарушены.
Справедливости ради надо заметить, что по микробиологическим показателям горячая вода в норме, по органолептическим показаниям 8 проб не соответствовали стандартам, по показателям жесткости не соответствовали ≈ 46 проб, по содержанию железа ≈ 14.
Словом, данная информация ≈ ключ к решению узколокальной проблемы.
НЕФТЬ В МОРЕ
Прозвучал сигнал боевой тревоги, и через несколько минут эскадрилья Королевских ВВС Великобритании уже в воздухе. На штурманских картах отмечена точка, известная морякам как риф Семь Камней. Здесь уже в течение нескольких дней терпит аварию танкер «Торри Каньон» со 118 тысячами тонн нефти на борту.
Выйдя на цель, самолеты первым заходом сбросили фугасные бомбы, вспоровшие палубу судна. Второй заход ≈ и на танкер обрушился груз напалма. Но шторм погасил пламя. Маслянисто поблескивающая гигантская черная волна неумолимо надвигалась на побережье Англии. Навстречу ей вышли наскоро оборудованные суда, чтобы разбрызгивать вещества, разрушающие сплошную пленку нефти. Тем временем черная волна оставляла за собой безжизненную пустыню: гибли рыбы, моллюски, другие обитатели океана. Нефть растворяла жировую смазку оперения морских птиц, и в холодной воде они замерзали тысячами┘
Так в 1968 году мир впервые столкнулся с новой разновидностью катастроф века ≈ гигантским разливом нефти в море.
Прошло одиннадцать лет, и вновь в Атлантике потерпел крушение супертанкер «Амоко Кадис», имевший на борту почти в два раза больше нефти, чем «Торри Каньон». Менее масштабные разливы ≈ тысячи и десятки тысяч тонн нефти и нефтепродуктов ≈ происходят, практически ежегодно, а в последнее время катастрофы века следовали одна за другой: 1990 ≈ авария американского танкера у берегов Аляски, 1991 ≈ нефть в Персидском заливе.
Незамеченная катастрофа века
Тем не менее катастрофические разливы не столь опасны для Мирового океана, как можно подумать, если черпать информацию только из газетных и телевизионных репортажей с места событий. Гораздо губительнее незначительные, на первый взгляд, местные сбросы нефти и нефтепродуктов, которые в совокупности достигают многих миллионов тонн ежегодно. Они без преувеличения смертельно опасны для океана и его обитателей, ибо происходят в основном в прибрежной, то есть малой продуктивной зоне морей. А главная беда ≈ они стали привычными, как бы само собой разумеющимися и в силу самоедской логики вроде как и несуществующими.
Итак, нефть попадает в море с разными стоками, смывающими загрязнения с больших территорий суши; при обычной, безаварийной эксплуатации судов; выпадает с атмосферными осадками; просачивается в воду через трещины в земной коре, выстилающей ложе океана. Кроме, перечисленных, есть еще один источник углеводородов, идентичных нефтяным. Это ≈ фотосинтез, который ежегодно обогащает океан 12 миллионами тонн углеводородов. Предельно допустимая концентрация нефти в море ≈ 0,05 мг/л, но примерно таков и естественный фон углеводородов во время цветения микроскопических морских водорослей. Вот и ломают порой себе головы специалисты, что же происходит на самом деле ≈ цветет фитопланктон или кто-то нарушает природоохранное законодательство?
Еще один каверзный вопрос: что мы подразумеваем под нефтяным загрязнением? Загрязнение нефтью? Дизельным топливом? Котельным? Льяльными водами? И вообще, что такое нефть, попавшая в море?
Дело в том, что «важнейшее полезное ископаемое, сложная смесь алканов, некоторых циклоалканов и аренов, а также кислородных, сернистых и азотистых соединений», попав в море, превращается в нечто, не поддающееся четкому и однозначному определению. Потому что трудно определять концентрацию этого «нечто» в морской среде, и по той же причине пока нет единой методики для таких анализов. Еще сложнее оценить пороги губительных для морских организмов концентраций разных компонентов нефти и нефтепродуктов, ибо их токсическое действие может различаться на порядок и больше. Продолжая тему агностицизма, напомню, что поражающее действие растворенной, пленочной и эмульгированной нефти различное.
Не все пока ясно и с механизмами токсического действия нефти на организмы обитателей моря. Классический критерий «погиб ≈ остался жив» уже не устраивает гидробиологов, так как сам факт выживания растений или животных еще не гарантирует их полноценного существования в дальнейшем. Повышенное содержание нефти в морской среде может вызвать повреждения генетического аппарата организмов. Например, у рыб меняется обычный состав фонда свободных нуклеотидов и аминокислот, в опытах на креветках прослежены нарушения в биосинтезе РНК. И если взрослые обитатели моря еще как-то сопротивляться токсическому действию нефти, то их молодь при тех же концентрациях просто умирает или получает пожизненную инвалидность. Икринки некоторых видов морских рыб гибнут, даже если содержание нефти в воде ниже ПДК.
В результате исчезновения наиболее чувствительных видов меняется структура морских сообществ, даже крупных экосистем. Некогда славившаяся рыбными богатствами Севастопольская бухта, устрицы из которой считались чуть ли не лучшими в мире, превратилась в безжизненную пустыню. Свыше двадцати тысяч тонн нефтепродуктов лежит на ее дне, а ведь катастрофические разливы пока обходили стороной эту акваторию.
В разливе
Обычно при нефтяном разливе на поверхности воды образуется пленка. Сначала она расползается довольно быстро, но через пару суток, когда толщина пленки уменьшается до одной тысячной миллиметра, растекание нефти замедляется, а затем вовсе прекращается. Нефтяное пятно дрейфует по водной поверхности в том же направлении, куда дует ветер, причем довольно медленно ≈ со скоростью примерно в двадцать ≈ пятьдесят раз меньшей, чем скорость ветра. Главный же транспортировщик пятна ≈ течения. Правда, они не только переносят нефть на огромные расстояния, но иногда могут стать барьером на их пути. Например, разлив в южной части Саргассова моря не грозит побережью США, так как его надежно охраняет Флоридское течение. Кстати, нефть может путешествовать не только с поверхностными течениями, но и с глубинными, увлекающими ее в толщу океана в зонах дивергенций.
Сильные ветры в открытом море и прибой у берегов поднимают в воздух мириады капелек водяной пыли и вместе с ними ≈ нефтяные частицы. Такие расстояния нефтяные туманы могут переноситься в атмосфере на сотни километров.
Под жаркими солнечными лучами, да еще если дует ветерок, нефть начинает испаряться. Примерно через десять суток с поверхности океана улетучиваются углеводы с короткой (менее 15 атомов) углеродной цепочкой, затем постепенно исчезает фракция с 15 - 25 атомами углерода, но более тяжелые компоненты практически не испаряются. С течением времени они превращаются в так называемую пелагическую смолу ≈ комочки типа пластилиновых, которые так поразили Тура Хейердала во время дрейфа на «Кон-Тики» в открытом океане.
Часть нефти после разлива может оседать на дно и накапливаться здесь в донных отложениях. Если повторного загрязнения не происходит, то нефть на дне постепенно разлагается либо вновь выносится придонными течениями в толщу воды. Ну и разумеется, какая-то доля нефтяного разлива может выплеснуться с прибоем на берег, где в дело вступают уже чисто сухопутные силы выветривания.
Проще утопить
Во-первых, нефть можно сжечь на потерпевшем аварию корабле. Но если упустить момент и дать ей разлиться, то устроить пожар на поверхности моря уже практически невозможно ≈ при толщине слоя меньше трех миллиметров нефти не горит.
Иногда наоборот приходится тушить пожар на танкере, а само судно топить. Так, например, поступили японцы со своим нефтевозом: который столкнулся в Токийском заливе с судном под либерийским флагом. Несколько дней силы самообороны бомбили и обстреливали не желающий тонуть танкер, пока, наконец, даже самонаводящиеся торпеды, выпущенные с подлодки, не отправили упрямца на дно.
Если нефть все-таки разлилась на поверхности моря, то ее пытаются собрать ≈ не пропадать же добру. Иногда вычерпывают вручную с бортов небольших катеров, иногда применяют довольно сложные нефтемусоросборочные комплексы. Но всегда предварительно стараются огородить разлив и сконцентрировать его при помощи плавающих бонов или других барьеров, например из сжатого воздуха, который поступает из перфорированных труб, проложенных на дне. Можно специальными насосами отсасывать воду с нефтью, чтобы потом разделить их в отстойнике либо иным способом. Разработаны устройства для буксировки нефтяных пятен, предварительно обработанных отвердителем.
Нефть с поверхности можно частично собрать с помощью адсорбирующих средств, специальных и подручных. Например, обычная солома поглощает нефти в 8 - 30 раз больше собственной массы. К специальным сорбентам относятся широкие ленты из полипропилена, которые можно использовать повторно, и губчатый материал из полиуретановой пены.
Есть оригинальный метод сбора нефти с использованием погруженных акустических излучателей. Звуковой луч, направленный снизу, отдает энергию на границе вода ≈ нефть, поднимая последнюю в воздух. Тут ее улавливают в специальные контейнеры или просто сжигают. Тот же акустический генератор может перемещать пятно разлива в горизонтальном направлении, а также создавать барьеры на его пути.
Беда лишь в том, что все эти меры хороши при спокойном море. Но аварийные разливы происходят, как правило, во время штормов. Тогда стараются утопить нефть с помощью адсорбентов и абсорбентов. Можно засыпать пятно песком, специально обработанным для лучшего поглощения углеводородов. Для той же цели используют донные отложения с добавкой активированного кремнезема или мела. В экспериментах неплохо зарекомендовали себя лигниновая и тальковая пыль. Главное требование для сорбирующего вещества ≈ это его способность накрепко связывать нефть, не давая ей всплыть со дна. Увы,, такой сорбент еще не найден, ибо даже через несколько месяцев затопленная масса бывает еще подвижна и может всплыть при волнении. Так, на месте крушения «Торри Каньон» порции затопленной здесь нефти неоднократно поднимались на поверхность.
Потопляющие агенты тем хороши, что очистить поверхность моря с их помощью можно в один прием в течение считанных минут. Но как вы понимаете, обитатели морского дна не в восторге от этого.
Долгое время самым перспективным способом борьбы с нефтяными разливами считали распыление так называемых диспергентов. Эти поверхностно-активные вещества эмульгируют пленку нефти, ее мельчайшие капельки распределяются в толще воды, где довольно быстро разлагаются в результате природных биохимических процессов. Но оказалось, что для морских организмов диспергенты токсичнее, чем сама нефть. Кроме того, они поглощают из воды большое количество кислорода, создавая мертвые зоны, особенно при штиле. Сейчас синтезированы диспергенты третьего и четвертого поколений с пониженной токсичностью, однако, применяя их, надо в каждом случае тщательно взвешивать все «за» и «против» и уж во всяком случае их нельзя использовать для очистки мелководных акваторий и песчаных пляжей. Диспергированная нефть лишь глубже просочиться в песок и осложнит ситуацию не неопределенно долгий срок.
Вездесущие нефтееды
В начале мая 1967 года траулер «Голубь мира» севастопольской промразведки отправился в Индийский океан на поиск новых районов рыбного промысла. Институт биологии южных морей воспользовался оказией и послал в рейс микробиолога с заданием отбирать по ходу плавания пробы морской воды и делать ее посев на минеральную среду, еде единственным источником углерода была нефть. Кроме нее в состав среды входили азот, фосфор, железо и другие биогенные элементы. Как вы уже догадались, таким способом можно выявить в морской воде бактерии, для которых нефть служила основным источником питания. Метод, довольно простой и надежный, но требующий от экспериментатора терпения, ибо окончательный вывод о наличии либо отсутствии в пробе воды крохотных нефтеедов можно было сделать лишь по истечении десяти суток. За это время судно проходило не менее двух с половиной тысяч морских миль.
По мере удаления от порта численность нефтеокисляющих микроорганизмов в черноморской воде падала, а в центральной части моря их вообще не было. Затем численность бактерий-нефтелюбов вновь нарастала ≈ в десятки, сотни и, наконец, в тысячи раз. Одна-две такие пробы, и за пиком следовал очередной спад. По карте несложно было определить акватории, богатые нефтеокисляющими микроорганизмами. Как и ожидали, это оказался Босфор, делящий надвое город-порт Стамбул, затем рейд Порт-Саида, где формируются караваны для прохождения Суэцкого канала, а дальше ≈ акватории портов в Аравийском море и фарватеры танкеров, везущих нефть из Персидского залива.
В следующих экспедициях нефтеокисляющие микроорганизмы обнаружили и в полярных водах, причем тоже в загрязненных нефтью районах. Однако их активность там очень мала, и надеяться на прожорливость нефтеедов в арктических и антарктических водах не приходится.
Клин клином не вышибешь
Бактерии (а по мнению некоторых исследователей, еще грибы и дрожжи) ≈ лишь первое звено в цепочке организмов, разрушающих нефть. Атакуя нефтяную капельку, бактерии быстро размножаются и покрывают ее сплошным слоем. Бактериальная пленка становится все толще и толще, причем только внутри нее можно встретить живые микроорганизмы: ближе к поверхности скапливаются их мертвые тела ≈ бактериальный детрит. Детритная шуба изолирует микробов от морской воды, лишая притока биогенных элементов и кислорода. В результате жизнедеятельность бактерий на поверхности нефтяной капли замедляется и может вообще замереть. Но, к счастью, детрит пришелся по вкусу другим морским микроорганизмам ≈ инфузориям. Они поселяются на детритной пленке и поедают ее, облегчая жизнь нефтеокисляющим бактериям. В свою очередь инфузориями-детритофагами питаются представители следующего уровня пищевой пирамиды океана и так далее.
Зная все это, можно так подобрать организмы ≈ звенья пищевой цепочки, что в совокупности они составляют биологический реактор, перерабатывающий попавшую в море нефть. Впрочем, подобрать-то можно, только сложно: при нефтяном загрязнении выживают далеко не все обитатели моря, так что выбирать особо не из чего. К тому же, не все выносливые виды организмов пригодны для конструирования естественной нефтеочистной системы. И наконец, одно дело создать много звеньевую систему биологической очистки в лаборатории, и совсем другое ≈ применить ее на практике, в настоящем море.
Правда, можно попытаться зайти с другой стороны ≈ не чистить уже загрязненные акватории, а просто поменьше их загрязнять. Биологическую очистку вод применяют, например, в коммунальном хозяйстве. Можно создать аналогичные системы для морских нефтесодержащих вод. После разгрузки в танках нефтесливного судна остается примерно полпроцента исходного груза, у супертанкера ≈ сотни тонн нефти. Возвращаться пустым танкер не может ≈ его перевернет первой же большой волной, поэтому приходится заполнять танки забортной водой, которую потом сливают в береговые очистные сооружения, где нефть отделяют физическими методами. На выходе из очистных сооружений морская вода содержит примерно 10 - 15 мг/ л нефти, то есть в сотни раз больше ПДК. Разумеется, сбрасывать в море такую воду преступно, поэтому можно попытаться дочистить ее с помощью микроорганизмов. Однако и после такой процедуры загрязненность балластных вод нефтью превышает ПДК в несколько раз. Повторная или более глубокая очистка тем же способом ≈ пока слишком дорогое мероприятие, поэтому балластные воды все же сбрасывают в море, иногда даже через подводный выпуск. Помочь делу можно, надстроив микробиологический блок очистки следующим звеном ≈ комплексом морских организмов, которые питаются нефтеокисляющими бактериями и детритофагами. И обойдется это практически бесплатно, если привлечь к делу двустворчатых моллюсков-фильтраторов, например, мидий.
Пропуская через себя воду, мидии выбирают из нее взвешенные частички. Те из них, что пригодны в пищу, моллюск употребляет по назначению, а остальные обволакивает слизью и выводит из организма наружу. Ясно, что морская вода ≈ не наваристый бульон, и такой способ питания заставляет двустворчатых моллюсков фильтровать большие объемы воды. Все это делает их уникальными чистильщиками, остается только поселить их возле устья сброса сточных вод.
Капельки нефтяной эмульсии, прошедшие через мидию, обогащаются тяжелыми фракциями и, по сути, испытывают все те же превращения, что и при микробиологическом разложении в воде. Только в организме моллюсков все происходит гораздо быстрее. Неразложившаяся нефть покидает двустворку в виде комочков фекалий и псевдофекалий (последние формируются внутри моллюска вне желудочно-кишечного тракта). Комочки тонут, а на дне их уже поджидают новые углеводородоокисляющие микробы и многоклеточные организмы-илоеды.