IV Международный конкурс
научно-исследовательских и творческих работ учащихся
«СТАРТ В НАУКЕ»
 
     

ПРИРОДНЫЕ ФИЛЬТРЫ ОЧИСТКИ ВОДЫ НА СЛУЖБЕ В ДОМЕ
Романов Л.Э.
Текст научной работы размещён без изображений и формул.
Полная версия научной работы доступна в формате PDF


Введение.

Вода является важнейшим ресурсом для поддержания жизни и источником всего живого на Земле, но её неравномерное распределение на континентах не раз становилось причиной кризисов и социальных катастроф. Дефицит пресной питьевой воды в мире знаком человечеству с древнейших времён, и с последнего десятилетия двадцатого века он постоянно рассматривается как одна из глобальных проблем современности.

Сегодня население планеты растёт стремительными темпами, и потребность в пресной питьевой воде только возрастает. По данным счётчика www.countrymeters.com, население Земли на 12 ноября 2017 года достигло приблизительно 7 миллиардов 564 миллионов человек, а ежегодный прирост составляет примерно 83 миллиона человек. Данные указывают на ежегодный прирост потребности в пресной воде в объёме 64 млн кубометров. Следует заметить, что за период времени, когда население планеты выросло в три раза, использование пресной воды возросло в 17 раз. Причём, по некоторым прогнозам, через 20 лет оно может увеличиться ещё втрое.

По статистике, практически пятая часть населения мира живёт в районах, в которых наблюдается острая нехватка питьевой воды. Помимо этого, одна четверть населения живёт в развивающихся странах, которые испытывают нехватку в связи с отсутствием инфраструктуры, необходимой для забора воды из водоносных пластов и рек. Нехватка воды по этим же причинам наблюдается даже в тех районах, в которых выпадают обильные атмосферные осадки и имеются большие запасы пресной воды.

Наличие воды в достаточном количестве для удовлетворения потребностей домашнего хозяйства, сельского хозяйства, промышленности и окружающей среды, зависит от того, как вода сохраняется, распределяется и используется, а также от качества имеющейся воды.

Одной из главных проблем является проблема загрязнения пресной воды, существенно снижающая существующие запасы. Этому способствуют загрязнению промышленные выбросы и стоки, смыв удобрений с полей, а также проникновение солёной воды в прибрежных зонах в водоносные слои из-за откачивания грунтовых вод.

Проблема нехватки питьевой воды и её загрязнение очень остро стоит перед современным человеком, что и послужило причиной создания данной работы.

Цель нашей работы: изучение природных фильтров и их применение в бытовых условиях.

Мы ставим перед собой следующие задачи: 1) изучение и разделение по категориям проблему загрязнения воды; 2) ознакомиться с методами очистки воды; 3) рассмотреть применение природных фильтров по очистке воды; 4) создать рекомендации по применению природных фильтров в бытовых условиях.

Предметом исследования служат: природные фильтры.

Объектом исследования данной работы является: очистка воды в бытовых условиях.

Новизна исследования: применение в бытовых условиях для очистки воды искусственных экосистем и биологических организмов.


    1. Проблема загрязнения воды.
  1. Как мы загрязняем воду и как с этим бороться?

В течение как минимум двух тысячелетий качество воды постоянно ухудшается и достигает таких уровней загрязнения, когда использование воды в разных целях сильно ограничено или вода может быть вредна для человека. Это ухудшение связано с социально-экономическим развитием в пределах бассейна реки, но атмосферный перенос загрязнителей на далекие расстояния теперь изменил эту картину: даже удаленные районы могут быть подвергнуты непрямому загрязнению.

Средневековые отчеты и жалобы о неправильном удалении продуктов жизнедеятельности, грязи и зловонии в реках, протекающих в перенаселенных городах, и других сходных проблемах были ранним проявлением городского загрязнения вод. В первый раз четкая причинная связь между плохим качеством воды и воздействиями на здоровье человека была установлена в 1954 г., когда Джон Сноу проследил, что вспышка эпидемии холеры в Лондоне имеет отношение к определенному источнику питьевой воды.

С середины двадцатого столетия и происходя одновременно с ускорением промышленного роста, различные типы проблем загрязнения вод претерпели быструю смену стадий.

В настоящее время в мире осталось немного рек, которые не были бы загрязнены продуктами жизнедеятельности человека. Со сточными водами в реки попадают удобрения и пестициды с сельскохозяйственных земель. А также в них попадают воды из канализации и дренажных канав. Некоторые заводы сливают в реки и озера потоки грязной воды. Загрязнение вод рек и озер нитратными удобрениями растет на планете практически каждую неделю. К сожалению, даже в том случае, если запретить использовать нитратные удобрения уже завтра, ситуация будет ухудшаться. Нитраты медленно, уже в течение многих лет, просачиваются через землю в русла рек или озер. Грязные сточные воды и удобрения попадают в озера и водохранилища и вызывают стремительный рост тины — водорослей, которые душат речную фауну и флору.

Резюмируя ситуацию, можно сказать следующее:

  1. проблемы из прошлого (патогены, кислородный баланс, эутрофикация, тяжелые металлы) осознаны, исследованы, определены необходимые меры по предотвращению и в большей или меньшей степени применяются;

  2. сегодняшние проблемы имеют другую природу - с одной стороны, традиционные точечные и более обширные источники загрязнения (нитраты) и повсеместные проблемы загрязнения (синтетическая органика) и, с другой стороны, проблемы "третьего поколения", связанные с глобальными циклами (кислотные дожди, изменение климата).

  1.  
    1. Причины загрязнения воды.

Загрязнение воды представляет собой серьезную проблему для экологии Земли. И ее стоит решать как в больших масштабах – на уровне государств и предприятий, так и в маленьких – на уровне каждого человеческого существа. Разберемся же в причинах этих загрязнений.

  1. Сточные воды.

Чем выше уровень жизни, тем человек расходует больше воды. В менее развитых странах, к примеру, африканских, на человека приходится до 20 литров воды в день, а в таких странах, как США, человек тратит до 700 литров за сутки. Разница колоссальна. На что уходит такое непривычно огромное количество жидкости у среднестатистического американца? На приготовление еды, мытье, посещение туалета, уборку, стирку и т.д., полив газона. Сюда включается также вода, идущая на тушение пожаров, мытье улиц и т.д.

Вся отработанная жидкость образует так называемые бытовые сточные воды и поступает в канализацию. В растворенном виде в ней присутствует огромное количество мыла, стиральных порошков, моющих средств, отбеливателей и другой бытовой химии. Плюс туалетная бумага, органические отходы жизнедеятельности, некоторые пищевые отходы. Также не стоит забывать, что талая и дождевая вода смывают с тротуаров и проезжей части средства, ускоряющие таяние снега и льда, песок, соли и другие вредоносные соединения.

Нередко промышленные стоки, содержащие неорганические и органические отходы, спускаются в реки и моря. Ежегодно в водные источники попадают тысячи химических веществ, действие которых на окружающую среду заранее не известно. Многие из них представляют собой новые соединения. Хотя промышленные стоки во многих случаях подвергаются предварительной очистке, они все-таки содержат токсичные вещества, которые трудно обнаружить.

Скопления неорганических веществ влияет на водных обитателей, и уменьшают количество кислорода воде, что приводит к образованию так называемых «мертвых зон», которых в мире уже около 400.

  1. Промышленное загрязнение воды.

Один из крупнейших источников загрязнение воды в развитых странах – промышленность (превышает количество бытовых сточных вод почти в 3 раза!). С помощью воды в промышленности проходит огромное количество процессов. К примеру, она может выступать охладителем, может использоваться для промывания различных материалов. Больше всего сточных вод дают такие отрасли промышленности, как нефтеперерабатывающая, целлюлозно-бумажная, черная металлургия и промышленность органического синтеза.

В процессе деятельности крупных заводов в пресную воду сбрасываются промышленные стоки, состав которых изобилует различного рода тяжелыми металлами. Многие из них, попадая в организм человека, оказывают на него пагубное воздействие, приводящее к сильному отравлению, смерти. Такие вещества называют ксенобиотиками, то есть элементами, которые чужды живому организму. К классу ксенобиотиков относят такие элементы, как кадмий, никель, свинец, ртуть и многие другие. Известны источники загрязнений воды данными веществами. Это прежде всего металлургические предприятия, автомобильные заводы.

Естественные процессы на планете тоже могут способствовать загрязнению. Например, вредные соединения в большом количестве содержатся в продуктах вулканической активности, которые время от времени попадают в озера, загрязняя их. Но, безусловно, антропогенный фактор здесь имеет решающее значение.

Тут следует упомянуть о так называемом тепловом загрязнении, когда в реки и озера выбрасывается, вроде как, и чистая воды, но ее температура чуть выше в сравнении с температурой воды в водоеме. Это может быть довольно опасным. Известны примеры, когда из-за повышения температуры воды в водоеме гибла рыба, чрезмерно разрастались водоросли и сорные водные растения. В итоге претерпевала изменения вся водная среда.

  1. Загрязнение радиоактивными веществами.

Развитие ядерной промышленности нанесло существенный вред всему живому на планете, в том числе и водоемам с пресной водой. В процессе деятельности ядерных предприятий образуются радиоактивные изотопы, в результате распада которых выделяются частицы с разной проникающей способностью (альфа-, бета- и гамма-частицы). Все они способны нанести живым существам непоправимый вред, так как при попадании в организм данные элементы повреждают его клетки и способствуют развитию онкологических заболеваний, разрушают ткани живых организмов, вызывают генетические мутации, бесплодие и даже гибель организма.

  1. Синтетические удобрения.

Еще один из крупнейших потребителей воды – сельское хозяйство. В данной отрасли она активно используется для полива. Вода, которая стекает с полей, содержит в себе частицы почвы, различные химические соединения (инсектициды, неорганические и органические удобрения, гербициды и т.д.). Плюс к этому, в воду попадает огромное количество органических отходов с ферм, а также при переработке сельскохозяйственной продукции.

Нельзя не вспомнить о пестицидах, которые используются в сельском хозяйстве для борьбы с насекомыми, сорняками и прочими вредителями. В то же время, они признаны экологически небезопасными. Имеют свойство накапливаться в различных организмах, циркулировать внутри пищевых цепей. Их структура не поддается химическому либо биологическому разложению. Таким образом, они постепенно накапливаются в живых организмах и оказывают на них свое негативное влияние.

В синтетических удобрениях, используемых человеком, содержится много вредных веществ, таких как нитраты и фосфаты. Попадание их в водоем провоцирует чрезмерный рост специфической сине-зеленой водоросли. Разрастаясь до огромных размеров, она препятствует развитию других растений в водоеме, при этом сама водоросль не может служить пищей для живых организмов, обитающих в воде. Все это приводит к исчезновению жизни в водоеме и его заболачиванию.

  1. Кислотные дожди.

Кислотные дожди возникают в результате попадания в атмосферу отработанных газов, выпускаемых металлургическими предприятиями, тепловыми электростанциями, нефтеперерабатывающими заводами, а также другими промышленными предприятиями и автомобильным транспортом. Эти газы содержат оксиды серы и азота, которые соединяются с влагой и кислородом воздуха и образуют серную и азотную кислоты. Затем эти кислоты выпадают на землю - иногда на расстоянии многих сотен километров от источника загрязнения атмосферы. В таких странах, как Канада, США, Германия тысячи рек и озер остались без растительности и рыбы.

  1. Нефть и нефтепродукты.

Только в США ежегодно происходит приблизительно 13000 случаев утечки нефти. В морскую воду ежегодно попадает до 12 млн. т нефти. В Великобритании ежегодно выливается в канализацию свыше 1 млн. т использованного машинного масла.

Нефть, пролитая в морскую воду, оказывает много неблагоприятных воздействий на жизнь моря. Прежде всего, гибнут птицы: тонут, перегреваются на солнце или лишаются пищи. Нефть ослепляет живущих в воде животных-тюленей, нерпу. Она уменьшает проникновение света в замкнутые водоемы и может повышать температуру воды.

  1. Тепловое загрязнение.

Тепловое загрязнение воды вызывается тепловыми или атомными электростанциями. Тепловое загрязнение вносится в окружающие водоемы отработанной охлаждающей водой. В результате повышение температуры воды в этих водоемах приводит к ускорению в них некоторых биохимических процессов, а также к уменьшению содержания кислорода, растворенного в воде. Происходит нарушение тонко сбалансированных циклов размножения различных организмов. В условиях теплового загрязнения, как правило, наблюдается сильное разрастание водорослей, но вымирание других живущих в воде организмов.

1.3. Методы очистки воды.

Существуют различные способы очистки сточных вод:

– механический;

– физико-химический;

– химический;

– биологический.

В зависимости от степени вредности и характера загрязнений очистка сточных вод может производиться каким-либо одним способом или комплексом методов. В процессе очистки предусматривают обработку осадка и обеззараживание сточных вод перед сбросом их в водоем.

При механической очистке из производственных сточных вод путем процеживания, отстаивания и фильтрования удаляется до 90% нерастворимых механических примесей различной степени дисперсности (песок, глинистые частицы, окалина и др.), а из бытовых сточных вод — до 60%. Для этих целей применяют решетки, песколовки, песчаные фильтры, отстойники различных типов.

Вещества, плавающие на поверхности сточных вод (нефть, смолы, масла, жиры, полимеры и др.), задерживают нефте- и маслоловушками и другого вида уловителями либо выжигают.

Химические и физико-химические методы очистки наиболее эффективны для очистки производственных сточных вод.

К основным химическим способам относят нейтрализацию и окисление. В первом случае для нейтрализации кислот и щелочей в сточные воды вводят специальные реагенты (известь, кальцинированную соду, аммиак), во втором — различные окислители. С их помощью сточные воды освобождаются от токсичных и других компонентов.

При физико-химической очистке используются:

Коагуляция — введение в сточные воды коагулянтов (солей аммония, железа, меди, шламовых отходов и пр.) для образования хлопьевидных осадков, которые затем легко удаляются;

Сорбция — способность некоторых веществ (бентонитовых глин, активированного угля, цеолитов, силикагеля, торфа и др.) поглощать загрязнение. Методом сорбции возможны извлечение из сточных вод ценных растворимых веществ и последующая их утилизация;

Флотация — пропуск через сточные воды воздуха. Газовые пузырьки захватывают при движении вверх поверхностно-активные вещества, нефть, масла, другие загрязнения и образуют на поверхности воды легко удаляемый пенообразный слой.

Для очистки коммунально-бытовых сточных вод и промстоков целлюлозно-бумажных, нефтеперерабатывающих, пищевых предприятий широко используют биологический (биохимический) метод. Он основан на способности искусственно вселяемых микроорганизмов использовать для своего развития органические и некоторые неорганические соединения, содержащиеся в сточных водах (сероводород, аммиак, нитриты, сульфиды и т. д.). Очистку ведут с помощью:

– естественных методов (полей орошения, полей фильтрации, биологических прудов и др.);

– искусственных методов (аэротенков, метатенков, биофильтров, циркуляционных окислительных каналов).

После осветления сточных вод образуется осадок, который сбраживают в железобетонных резервуарах (метатенках), а затем удаляют на иловые площадки для подсушивания. Подсушенный осадок обычно используется как удобрение. Однако в последние годы в сточных водах стали обнаруживаться многие вредные вещества (тяжелые металлы и др.), что исключает такой способ утилизации осадков.

Осветленная часть сточных вод очищается в аэротенках — специальных закрытых резервуарах, по которым медленно пропускают стоки, обогащенные кислородом и смешанные с активным илом. Активный ил представляет собой совокупность гетеротрофных микроорганизмов и мелких беспозвоночных животных (плесени, дрожжей, водных грибов, коловраток и др.), а также твердого субстрата. Важно правильно подбирать температуру, рН, добавки, условия перемешивания, окислитель (кислород), чтобы в максимальной степени способствовать интенсификации гидробиоценоза, составляющего активный ил.

После вторичного отстаивания сточные воды обеззараживают (дезинфицируют) с помощью соединений хлора или других сильных окислителей. При этом способе (хлорировании) уничтожаются патогенные бактерии, вирусы, болезнетворные микроорганизмы. В системах очистки сточных вод биологический (биохимический) метод является завершающим, и после его применения сточные воды можно использовать в оборотном (многократном) водоснабжении либо сбрасывать в поверхностные водоемы.

В последние годы активно разрабатываются новые эффективные методы, способствующие экологизации процессов очистки сточных вод:

– электрохимические методы, основанные на процессах анодного окисления и катодного восстановления, электрокоагуляции и электрофлотации;

– мембранные процессы очистки (ультрафильтры, электродиализ и др.);

– магнитная обработка, позволяющая улучшить флотацию взвешенных частиц;

– радиационная очистка воды, позволяющая в кратчайшие сроки подвергнуть загрязняющие вещества окислению, коагуляции и разложению;

– озонирование, при котором в сточных водах не образуется веществ, отрицательно воздействующих на естественные биохимические процессы.

2. Что природа дает нам в помощь? 2.1. Методы биологической очистки воды.

В нашей работе мы более подробно остановимся на методах биологической очистки воды, так как считаем, что сама природа дает нам все необходимое чтобы мы «убрали за собой».

В настоящее время биологической очистке подвергается большинство промышленных и бытовых сточных вод перед их сбросом в водоемы. Принцип бологической очистки стоков состоит в том, что при некоторых условиях микробы способны расщеплять органику до простых веществ, таких как вода, углекислый газ, т.д.

Биологические методы очистки сточных вод могут быть разделены на два типа, по типам микроорганизмов, участвующих в переработке загрязнителей стоков:

  1. Аэробные биологические методы очистки промышленных и бытовых сточных вод (микроорганизмам при их жизнедеятельности необходим кислород);

  2. Очистка стоков анаэробными микроорганизмами (которые живут без кислорода).

Методы очистки сточных вод с участием аэробных бактерий разделяются по типу емкости, в котором происходит окисление стоков. Емкостью может быть и биопруд, и биологический фильтр, и поле фильтрации. Однако суть самого метода очистки сточных вод, а именно минерализация органики остается неизменной. В естественных условиях очистка сточных вод происходит на полях фильтрации и в биопрудах.

Поля фильтрации - это специальные участки, отведенные для сброса загрязненных сточных вод и заселенные почвенными аэробными бактериями. При попадании в почву, вредная органика сточных вод подвергаются окислению микроорганизмов, с конечным образованием углекислого газа и воды. Одновременно с процессами переработки органики сточных вод, имеет место синтез биомассы бактерий.

Аэробноя оксидация в биопрудах является процессом минерализации органики сточных вод под действием бактерий, живущих в воде. Биопруды являются водными объектами, в которых создано благоприятные для жизни микроорганизмов условия, такие как малая глубина, большое количество водорослей, насыщающих воду кислородом и т.п. Строительство биопрудов может быть использовано и для очистки производственных сточных вод, и для очистки рек, впадающих в водохранилища.

Препятствием более широкого использования биопрудов и полей фильтрации является их сезонная работа, небольшая производительность по очистке стоков, необходимость отвода крупных площадей земли.

В процессе очистки сточных вод в биологических фильтрах обработка стоков микробами проходит в искусственных сооружениях. В данных сооружениях в течение длительного времени могут поддерживаться оптимальные параметры для жизни микроорганизмов - значения температуры, рН, концентрации кислорода в воде и т.д. Очистка сточных вод в биологических фильтрах имитирует очистку микроорганизмами стоков на почве. Очистка сточных вод в аэротенках аналогична очистке в водоемах.

Аэротенк - это емкость глубиной до 5-6 метров, которая имеет устройство нагнетания воздуха. Внутри аэротенка живут колонии микроорганизмов - на хлопьях ила. Данные колонии перерабатывают органику сточных вод. После аэротенков чистая вода подается в отстойники. В отстойниках происходит осаживание активного ила с его последующим частичным возвращением обратно в резервуар.

Биологический фильтр - это заполненная крупнозернистым материалом емкость. На частицах данного материала живут колонии микроорганизмов. Биологические фильтры легче обслуживать, нежели аэротенки. Они более надежны и способны переносить перегрузки по загрязнению и объему сточных вод. Как для любых биологических сообществ, для устройств биологической очистки стоков существуют предельные концентрации загрязнений, при превышение которых микроорганизмы могут погибнуть.

В случае, если сточные воды содержат высокие концентрации органики, наиболее перспективным методом очистки стоков является анаэробный метод. Преимущество данного метода очистки заключается в меньших эксплуатационных расходах, так как в этом случае нет необходимости проводить аэрацию воды.

Анаэробные реакторы, как правило, представляют собой металлические резервуары, содержащие минимальное количество сложного нестандартного оборудования. Однако жизнедеятельность анаэробных микроорганизмов связана с выделением в воздух метана, что требует организации специальной системы наблюдения его концентрации.

Указанные выше методы очистки сточных вод применимы, если концентрации определенных загрязняющих агентов не превышает допустимые величины. Как правило, необходимо проводить три-четыре ступени предварительной очистки стоков. Кроме этого для сброса очищенных сточных вод в водоемы после биоочистки бывает необходима их доочистка - например, при помощи озонирования.

Существуют и так называемые особые, некондиционные сточные воды, которые проблематично очистить с использованием современных технологий очистки стоков. Данные сточные воды подвергаются утилизации – закачке в естественные подземные резервуары. Однако утилизация сточных вод подобным способом возможна лишь в том случае, когда используемый для утилизации стоков подземный горизонт изолирован от горизонтов, используемых для хозяйственного и питьевого водоснабжения.

  1.  
    1. Искусственные болота, как система очистки сточных вод.

Современные искусственные болота могут стать очень энергоэффективным инженерным решением, для очистки сточных вод, используя естественные природные функции болотных участков. Даже на небольшом участке можно создать такое болото размером 1-2 метра и очищать воду, например, из душа или стиральной машины. И выглядеть это может очень эстетично.

Еще в древние времена люди знали о том что грязная вода, проходя через болота, выходит оттуда чистой. В 18-19 веках сточные воды из некоторых городов направляли в находящиеся поблизости естественные болота и таким образом хоть как-то снижали последствия загрязнения окружающей среды. 
Но только в 1953 одной просветленной женщине по имени Кати Зайдл (Käthe Seidel) из института Макса Планка в Германии пришла в голову совершенно потрясающая мысль — спроектировать и построить искусственную болотную экосистему специально для очистки сточных вод. Что она и сделала. Это была целая революция в мировой канализационной сфере. И не только в канализационной — поскольку, по сути, это была одна из первых попыток использовать знания молодой науки под названием

На данный момент использование искусственных болот (Constructed Wetlands) является одним из наиболее прогрессивных подходов для очистки сточных вод, как бытовых, так и промышленных.

Ил сточных вод используется в качестве сельскохозяйственного удобрения.

Конструкции болот постоянно совершенствуются, и существует большое количество их разновидностей, которые разрабатываются конкретно для решения определенных задач. Их современные версии представляют из себя весьма сложные экоинженерные сооружения. Тем не менее принцип искусственного болота остается неизменным — это специально сконструированная водно-болотная экосистема, имитирующая природные модели, в которой за счет сочетания физико-химико-биологических процессов происходит очищение поступающей туда воды от органических и неорганических примесей таким образом, чтобы выходящая оттуда вода соответствовала необходимым параметрам.

Как правило это бассейн, заполненный биологически активным субстратом (гравий, песок и прочее), через который протекает вода, проходящая очистку. В субстрате (как правило) растут водные или влаголюбивые растения, выполняющие важную функцию поддержания необходимых условий в экосистеме.

Тем не менее, основную роль в процессе очистки воды играют не столько растения, сколько различные микроорганизмы, живущие в субстрате и корневой биомассе растений. Вода может протекать полностью под поверхностью субстрата (закрытые болота), а может постоянно или периодически покрывать его поверхность и выглядеть как что-то наподобие пруда (открытые болота). В зависимости от того, в каком направлении движется вода через субстрат закрытого болота, они могут быть вертикальными, горизонтальными или с комбинированным потоком. Каждый из этих типов имеет свои преимущества и недостатки. Очень часто для достижения требуемого результата болота разных типов комбинируются в одной системе в виде отдельных ячеек. На практике, благодаря своей компактности и эффективности, в последнее время все больше и больше используются закрытые болота с вертикальным током воды.

По сравнению с другими практикуемыми методами очистки сточных вод (например системами на основе активного ила), болота выигрывают прежде всего за счет более низких эксплуатационных затрат, большей надежности, простоты, а так же привлекательного внешнего вида, который создается растущими в них растениями. Болота могут работать без использования электроэнергии, в них обычно отсутствуют сложные и дорогостоящие технические компоненты, могущие выйти из строя, замена которых требует специалистов и финансов. Уход за ними не представляет трудностей. Они могут работать в прерывистом и сезонном режимах, с чередующимися периодами простоя и нагрузки, что может представлять проблему для систем автономной канализации другого типа. Они могут работать зимой под слоем льда и снега. И, наконец, они служат украшением участка, являясь элементом ландшафтного дизайна.

Слабым местом болот является несколько большее, по сравнению с другими системами, занимаемое пространство. Но надо сказать, что последние разработки в области искусственных болот позволили значительно сократить эту площадь, и если раньше для достижения требуемой степени очистки в перерасчете на одного условного человека нужно было использовать площадь 5-7 кв. метров болота, то в современных болотах, спроектированных по «последнему слову», эта площадь сократилась до 1-2 квадратных метров. Это, в свою очередь, отражается позитивно и на стоимости болот.

Болота весьма эффективны в тех случаях, когда нужно очистить сточные воды до такой степени, чтобы их можно было затем направлять в водоемы или водотоки или же тогда, когда простые подземные поля фильтрации нельзя использовать из-за опасности загрязнения близко расположенных грунтовых вод.

Искусственные болота очень часто используют в качестве компонента прудовых экосистем, обеспечивающих в них надлежащее качество воды.

Сделать простое небольшое болото с горизонтальным током воды для очистки серой воды (в которой отсутствует вода из сливных туалетов) не так уж сложно самостоятельно. Для этого понадобится выкопать продолговатое углубление в земле глубиной 50-60 см с небольшим уклоном в одну сторону, выслать дно и бока водонепроницаемой пленкой, уложить в более глубокой части водоотводящую перфорированную трубу и засыпать туда несколько кубов мелкого гравия. Затем накопать где-то поблизости рогоза и тростника и пересадить его в гравий через каждые 50 см. Со стороны противоположной водоотводящей трубе прямо на поверхность подается грязная вода (например, из душа или стиральной машины) – вот и готово болото.

Очищенную таким образом воду можно использовать, например для полива.

Тем не менее, для того чтобы построить у себя эффективное современное болото с вертикальным током воды и несколькими последовательными ячейками, обеспечивающее полную очистку всех бытовых сточных вод, включая туалетные — однозначно стоит привлечь специалистов по

  1.  
    1. Эйхорния – очистное сооружение в миниатюре.

Ещё в 80-е годы во многих странах, где произрастает это растение, его называли злостным сорняком. Сейчас с его помощью очищают озёра, занесённые в список мёртвых, малые реки и водоёмы, всевозможные грязные стоки хозбытового и животноводческого происхождения. С помощью этого растения можно извлечь из стоков большинство биогенных элементов, таких, как азот, фосфор, калий, кальций, магний, марганец, сера, а также такие ингредиенты, как фенол (до 540 г/л), сульфаты, нефтепродукты, синтетические поверхностно-активные вещества (СПАВ), фосфаты, и можно улучшить такие показатели, как биологическая потребность кислорода (БПК) и химическая потребность кислорода (ХПК). Именно этот набор элементов и ингредиентов служит основным загрязнителем наших рек и водоёмов.

При очистке стоков, в которых находятся аммиак, фенолы, щелочи, фосфаты, нефтепродукты, растение, на корнях которого находится не один десяток полезных микроорганизмов, мелких моллюсков, ракообразных червей, создаёт условия для жизнедеятельности вышеуказанных организмов, которые и осуществляют расщепление ингредиентов, превращая их в удобоваримые для эйхорнии элементы, т.е. каждое растение представляет собой очистные сооружения в миниатюре.

Ботаническое название - эйхорния (crassipes), семейства понтедериевых. Очень эффективное плавающее водное растение, надводная часть которого состоит из листьев и цветка, напоминающего гиацинт (что послужило причиной его второго названия - водный гиацинт). В воде находятся нитевидные корни, опушенные ресничками, между которыми и происходит основной процесс очистки. Произрастает эйхорния в естественных условиях в странах с тропическим и субтропическим климатом. Однако в благоприятных условиях летнего периода в интервале температур 16 - 32 градуса может активно вегетировать в более северных районах, вплоть до широты г. Архангельска.

И первым адресом по опытному применению эйхорнии стали пруды Киржачской птицефабрики, что во Владимирской области. Одна из проблем сельского хозяйства — очистка вод прудов-накопителей стоков животноводческих предприятий. Пруды-отстойники, выбранные для эксперимента, находятся всего в ста метрах от деревни Пиково. Здесь давно забыли о временах, когда в воздухе стоял аромат цветущего сада, свежей зелени и парного молока. А колодцы вместо артезианской воды уже несколько лет наполняются зловонной жижей.

180–200 м3 стоков (бытовых и производственных) ежедневно поступают на очистные сооружения, а затем в каскад отстойников. Но, увы, это не в состоянии очистить их до уровня ПДК. И платят за такие безобразия птицеводы в год больше 60 тыс. руб. областной службе экологии.

Эксперимент начался 20 июля 1997 г. Было выбрано два отстойника (второй — с повышенным содержанием ингредиентов) и искусственный водоем с гидравлическим замком, не позволяющим стокам просачиваться в почву. В первом отстойнике высаженные растения заняли 2% площади его поверхности, во втором — 0,5%, в третьем — эйхорния покрыла 50% всей площади.

Через сутки на третьем искусственном прудике уже исчез специфический запах, через неделю — у первого отстойника. Сельчане ходили к экспериментальным площадкам несколько раз на день. Удивлялись и радовались. После того, как на первом отстойнике эйхорния разрослась настолько, что покрыла поверхность на треть, специалисты санитарно-гигиенической и санитарно-бактериологической лабораторий Центра Госсанэпидемнадзора провели исследования проб воды.

Суммарное количество солей в пробе воды после очистки было на порядок ниже, чем в пробе до очистки. И эффективность очистки напрямую зависела от плотности заполнения растениями водоема. При 80% — были уничтожены практически все бактерии, контролируемые СЭС. Уничтожены основные гнилостные микроорганизмы, подавлен стафилококк, общее микробное число и coli-индекс (количество кишечной палочки) были приведены к нормам. Санитарные врачи, чья профессия не располагает к эмоциональным оценкам, тем не менее не скрывали удивления — состав воды отвечает нормам для открытых водоемов и плавательных бассейнов.

Довольной результатами эксперимента была и администрация АОЗТ.

105 млн. руб. (цены того года), затратную часть, взяла на себя фирма «Социальные инновации», внедряющая эту технологию.

Расчетная прибыль составила свыше 500 млн. рублей. Она складывалась из почти 60 млн. руб. «экономии» от штрафов за загрязнение окружающей среды (при этом размеры штрафов были явно занижены с оглядкой на финансовые возможности фабрики), 250 млн. руб. — высококалорийные корма для животноводства и птицеводства, и свыше 150 млн. руб. — рассада на следующий год, причем, не только для нужд птицефабрики, но и для других объектов.

Экономисты посчитали хозяйственную целесообразность и того проще. Они сравнили эти затраты с «типовыми», которые бы понесло предприятие, если бы использовало традиционные методы для достижения того же уровня очистки. И их результаты еще более укрепили позиции экспериментаторов — по расчетам, традиционные затраты оказались в 10 (!) раз выше.

Многочисленные испытания способностей эйхорнии по очистке сточных вод сельскохозяйственных предприятий в естественных условиях полностью оправдали лабораторные испытания и ожидания разработчиков данной технологии. И они, как показал последующий опыт, справедливо считали, что это водное растение способно на большее, ему вполне «по зубам» и промышленные стоки.

Тем более, что многие инженеры, занимающиеся городскими водоочистительными сооружениями уже несколько лет ратуют за применение биотехнологий на этапе доочистки стоков.

Так, в Сыктывкаре она прекрасно адаптировалась на стоках целлюлозно - бумажной промышленности, справляясь не только с биогенными элементами, но и со значительным количеством дубильных веществ. И, казалось бы, в условиях короткого лета вегетация и биопродуктивность эйхорнии не должны быть близкими к уровню южных широт. Однако из-за значительного увеличения долготы дня в летнее время эти показатели в сумме за весь сезон практически остаются на том же уровне, что и на юге.

Если же очищаются технологические воды, как правило с повышенной температурой, биопродуктивность возрастает буквально в несколько раз, так как увеличение продолжительности непрерывной вегетации эйхорнии только на один месяц ведёт к увеличению количества зелёной массы как минимум в 4 раза.

Начальник производственного отдела городского жилкомхоза города Красноармейск (Московской области) Александр Катков:

— Двадцать тысяч кубометров бытовых и производственных стоков в сутки — это наше хозяйство. Узнав об эксперименте в Киржаче, мы решили поддержать изобретателей и у себя доказать возможности удивительного растения.

Эйхорнию пробовали на всех этапах очистки. Лучше всего она проявилась на стадии доочистки в биопруде-отстойнике, чья поверхность — почти 2 тыс. м3. По многим примесям очистка с эйхорнией приблизилась к стопроцентной.

А уничтожение практически всех болезнетворных микроорганизмов позволило отказаться от неизбежной прежде на последнем этапе обработки стоков хлорной водой. Теперь рабочие не травят себя вредными испарениями хлора. А его токсичные соединения не попадают в реку Ворю, возле которой очень любят отдыхать и рыбачить горожане.

Необходимо отметить, что размножение эйхорнии в условиях, при которых температура воды не превышает 25 градусов, происходит только вегетативно. Однако там, где температура воды поднимается до 32-35 градусов, возможно и семенное размножение. Это ещё раз подтверждает тот факт, что бесконтрольное распространение эйхорнии на территории России невозможно. Нет условий для прорастания семян, а наличие морозного периода приводит к уничтожению эйхорнии, оставшейся в водоёме.

Растение может очищать воду от многих химических веществ, в том числе и даже от некоторых радионуклидов. Это растение усваивает примеси вод как питание, в основном, через корневую систему. Метод применения возможностей растения Эйхорния ориентирован, в том числе, на способности микроорганизмов, в изобилие развивающихся на корнях растения. Создание растением благоприятных условий существования полезного биоценоза в несколько раз усиливает деструктирование (расщепление, разложение) микроорганизмами растворенных органических и неокисленных минеральных соединений, например, сероводород, аммиак, нитриты, содержащиеся в сточных водах. Эйхорния использует их в процессе своей жизнедеятельности. Кроме того, простейшие стимулируют рост полезных бактерий и улучшают качество очищенного стока по показателям БПК, ХПК, содержанию взвешенных веществ и др. Происходит, за счет дезодорации прилегающих территорий, снижение угрозы загрязнения подземных и поверхностных вод и тем самым снижения риска экологических бедствий и улучшение экологической обстановки. Полное разрушение кишечных палочек, придает этому методу высокую эффективность с санитарной точки зрения.

С применением способностей Эйхорнии реально решение вопросов осветления и дезодорирования сточных вод (исчезновение запахов и гибель многих болезнетворных бактерий). Таким образом, Coli-индекс экосистем может быть приведен к нормативному состоянию без применения дополнительных химических дезинфицирующих средств, возвращая воде полноценные качества (воды перед сбросом возможно не хлорировать). Как показывают результаты анализов воды по БПК5, на водных поверхностях в зоне роста и далее в направлении движения воды, обеспечивается уничтожение и не допускается возможность образования на поверхности водоема сгустков загрязнений, гнилостных соединений. Исключается возможность развития болезнетворных бактерий, подавляется жизнеобеспечение личинок кровососущих насекомых и т.п. Токсичность воды в водоемах, определяемая с помощью биотестирования, может быть снижена в зоне культивирования растения вплоть до полного ее отсутствия. Создается биологический барьер развитию патогенной микрофлоры стоков и проникновению в водоемы и подземные воды.

Без особой подготовки очистку с помощью эйхорнии можно внедрить уже сейчас на животноводческих и птицеводческих комплексах, на целлюлозно-бумажных комбинатах, на стоках от пищевой промышленности и чисто хозбытового происхождения, на очистных сооружениях городов и мегаполисов, на малых и больших реках, прудах и озёрах. Как показала многолетняя практика, внедрение этой технологии выгодно, так как выросшая зелёная масса после сбора может быть использована на корм животным и птицам, для изготовления бумаги и биоудобрений, переработки на биогаз и жидкое топливо.

  1.  
    1. Моллюски на службе на «Примводоканале»!

На "Примводоканале" применяется двухступенчатая система очистки воды – отстаивание и обесцвечивание в горизонтальных и вертикальных отстойниках, затем глубокая очистка и осветление воды на фильтрах с гранодиоритовой загрузкой. Для ускорения и улучшения процесса очистки в воду добавляются современные реагенты: коагулянты и флокулянты. Обеззараживание воды производится раствором гипохлорита натрия, получаемого путем электролиза на установках (а не опасным жидким хлором). После чего вода подвергается обеззараживанию путем воздействия ультрафиолета на специальных установках.

"По оценкам Российской ассоциации водоснабжения и водоотведения "Примводоканал" признан одним из лучшим предприятий водного сектора России. Наша география в этом году расширилась: к Владивостоку и Артему добавился поселок Преображение, Раздольное, Лазо, Михайловка", - рассказала Ольга Кудрявцева.

В 2010 году на очистных сооружениях Артемовского гидроузла, который поставляет порядка 70% всего объема воды, был произведен монтаж автоматизированной системы оперативного биомониторинга за загрязнением воды. В качестве "биосолдат" в этой системе служат двустворчатые моллюски, которые захлопывают свои раковины в случае попадания в воду загрязненных веществ. Все данные передаются на компьютеры в диспетчерскую службу.

Система мониторинга с моллюсками. Фото: РИА PrimaMedia

Автоматическая система позволяет непрерывно проводить биомониторинг качества воды в водохранилище и оперативно проводить мероприятия по предотвращению попадания загрязнений в централизованную систему водоснабжения. Питьевая вода на выходе с очистных сооружений перед подачей в распределительную сеть и в самой распределительной сети водопровода соответствует установленным нормативным требованиям в соответствии с СанПиН.

Система мониторинга с моллюсками. Фото: РИА PrimaMedia

"Если вода по каким-то показателям не соответствует качеству, у моллюсков меняется биоритм, этот сигнал поступает диспетчерам, которые должны принять меры по устранению неполадок. В России только на двух водоканалах применяется такая технология: у нас и в Санкт-Петербурге, но там исследования проводят с помощью раков. Интересно, что наши "рабочие" моллюски живут дольше, чем в обычной среде. К слову, за все пять лет сигналов для отмены подачи воды от них не поступало", - сказала представитель предприятия.

Помимо этого на предприятии реализуется программа энергосбережения, проводится автоматизация контроля всех производственных процессов. Все это делается с одной целью – улучшить качество воды и повысить надежность работы системы водоснабжения.

  1.  
    1. Как мы можем использовать в бытовых условиях природные фильтры?

В современном мире, где миллионы людей живу в условиях постоянной нехватки чистой питьевой воды, а сама вода является продуктом торговли, перед нами особо остро стоит вопрос нахождения чистой воды для питья и для бытовых нужд. «И что же Вы нам можете предложить?» – подумаете Вы.

Изучив вышеизложенный материал, мы делаем заключение, что природные фильтры мы с Вами можем использовать и домашних условиях.

Люди, живущие за чертой города и имеющие в своем распоряжении земльный участок, могут на своем участке установить искусственное болото и подвести к нему, предположим слив от стиральной машины или подвести канализацию. Они получат в своем распоряжении не только своё собственное очистительное сооружение, тем экономя воду, но и прекрасный элемент ландшафтного дизайна, украсив его красивыми растениями, что так же будет благотворно влиять на психоэмоциональное состояние его владельцев.

Если оборудовать искусственное болото с открытой водой, то в нем может, весьма комфортно, разместиться и уже известная нам с Вам Эйхорния. Которая помимо декоративной функции, будет с успехом служить замечательным фильтром для воды.

Для тех, кому оборудование искусственного болота является не возможным по тем или иным причинам, но желание, которых получить свой минизавод по очистке воды и внести свой вклад в экологическую ситуацию является не преодолимым, мы можем предложить установить не большое «озеро» и поселить в нем Эйрнию. Вы можете просто выливать туда воду, после использования ее для бытовых нужд, а через некоторое время, вы получите чистую воду, для полива и для прочих нужд.

Так же, не имея возможности установить искусственные болота и «озеро», вы можете использовать Эйхорнию и моллюсков в домашних условиях. Вы, наверно, подумаете, что это не возможно? Отнюдь.

Вам достаточно иметь емкость, наподобие аквариума, с краном, расположенным несколько ниже середины. На дно поселите моллюсков, а сверху ковром высадите Эйхорнию. И получите чудесную станцию по очистке воды. Это будет являться как и декоративным элементом, и потрясающим наглядным пособием для Вас, Ваших детей и гостей, как созданные эволюцией живые существа и растения, борются с загрязнениями воды.

Заключение.

В данной работе мы рассмотрели основные причины загрязнения воды. Как Вы заметили, все эти причины связаны с деятельностью человека.

В современном мире мы – люди, все время за чем-то гонимся… Каждый из нас хочет получать максимально возможные блага, какие только могут предложить современные технологии. А технологии постоянно шагают вперед, пытаясь облегчить жизнь человеку, сделать ее более удобной и комфортной, сократить скорость проведения тех или иных операций. Крупные компании гонятся сокращением затрат и сверхприбылями…

И в этой погоне за прогрессом, в желании оптимизировать издержки, многие забывают, о самом главном… О том, что мы не хозяева на нашей планете. Мы точно такие же ее жители, как и весь остальной живой мир. И у представителей флоры и фауны есть точно такие же права на жизнь в комфортных для них условиях, как и у нас.

Наш долг, как единственных, разумных существ, к которым мы себя причисляем, беречь окружающий мир и сохранять баланс в природе.

Вполне очевидно, что возвращаться в «каменный век» человечество не собирается, ради сохранения водных экосистем. Но, как мы выяснили в ходе написания работы, человек нашел далеко не один метод очистки сточных вод. И особое место, на наш взгляд, занимает метод биологической очистки.

Он показывает нам, что сама «матушка природа» создала путем эволюции совершенно потрясающие живые организмы и целые «природные станции», способные очищать воду.

На многих очистительных сооружениях микроорганизмы борются с последствиями нашей жизнедеятельности, даже моллюски и раки стоят на службе нашего с вами здоровья.

В заключении, мы хотели бы сказать, что не стоит останавливаться на достигнутом. Развивая технологии по очистки воды, модернизируя уже морально устаревшие сооружения, применяя все, что дает нам природа, мы сможем восстановить погибающие от загрязнения водные экосистемы и сократить нехватку питьевой воды.

В ходе проведенной нами работы мы показали, что не только огромные предприятия по очистке воды и организации охраны природы борются с загрязнением воды, которое, к слову сказать, производит каждый из нас, хоть и не специально, но каждых человек в своем доме может применить тот или иной метод по очистке воды, тем самым внеся вклад в экологическую ситуацию.

Список литературы:
  1. http://thewallmagazine.ru/lack-of-fresh-water/

  2. http://greenologia.ru/eko-problemy/gidrosfera/problemy-zagryazneniya-vody.html

  3. http://ecology.md/page/6-osnovnyh-prichin-zagrjaznenija-vody

  4. https://atoll.by/other-water-filters/poleznaja-informacija-lib/zagrjaznenie-vody-lib/

  5. http://www.oblasti-ekologii.ru/ecology/zagryaznenie-gidrosfery/sposoby-ochistki-stochnyh-vod

  6. http://a-forester.livejournal.com/35721.html

  7. http://mediana-eco.ru/information/stoki_biological/

  8. http://ecology.md/page/iskusstvennyeacirc

  9. http://a-forester.livejournal.com/35721.html

  10. http://primamedia.ru/news/470097/

  11. https://moluch.ru/archive/46/5623/