Болотные угодья в рыбоводстве

Возведение болота
Возведение болота (en.wikipedia.org/wiki/Constructed_wetland)

Общеизвестно, что среда естественных болот существенно влияет на качество воды, проходящей через неё. Эти резервуары позволяют снизить концентрацию взвешенных частиц, растворенных органических веществ, кишечных бактерий и даже промышленных и сельскохозяйственных химических загрязнений. Отравление вредными компонентами грунтовых вод сильно снижается при прохождении болотной толщи. Этот естественный процесс очистки протекает в тропических и умеренных широтах.

За последние 20 лет естественная фильтрация в болотах привлекает особое внимание научного сообщества. Изначально, интерес был направлен на понимание физических, химических и биологических процессов, протекающих в болотах. Позднее, стартовали прикладные исследования, в которых изучалась способность искусственных болот работать в качестве очистных систем.

С 2000 годов в Европе, США, Канаде и Австралии приобрела популярность концепция интеграции искусственных болотных угодий в муниципальные, сельскохозяйственные и промышленные очистные системы.
Этому было несколько причин:
1. В очистку не вовлекаются посторонние химические вещества и добавки;
2. Существенно снижаются затраты на строительство, запуск и эксплуатацию по сравнению с традиционными очистными сооружениями;
3. Любые искусственные болота благотворно влияют на местные гидрологические системы: локальное удержание воды, абсорбцию и обновление грунтовых вод;
4. С эстетической точки зрения болота более привлекательны, чем обычные очистные сооружения;
5. Даже маленькие по площади болотные угодья оказывают положительное влияние на экологическое состояние природы.
Загрязнения аквакультуры прекрасно удаляются искусственными болотами. В США и Канаде ряд пресноводных хозяйств уже внедрил в практику болотные угодья. Однако исполнение этих систем далеко от совершенства.

Проект имеет важное значение, особенно когда пространство ограничено. Болотные угодья должны максимально продлить время нахождения загрязнений в системе. Это время активной обработки или, как его называют, время гидравлического удержания (HRT). Оно является функцией водного потока на входе, объема системы, простоты прохождения веществ через слои фильтрации и конечного уровня стока. Немаловажным фактором является перенос кислорода в субстрате. Особенности переноса определяют условия аэробного и анаэробного окисления и, таким образом, способствует гармоничному росту сообщества бактерий, водорослей и других растений.

Для всех задач недостаточно одного плана организации болота; отсутствует единый план строительства гидрологической системы для утилизации различных загрязнений. Когда разрабатывается новая аквакультура, либо модернизируется уже существующая, необходимо правильное сочетание биологических принципов, технических требований, физических ограничений работы системы. Проектирование эффективной системы невозможно без представления о том, что мы желаем получить в итоге.

Основные принципы очистки воды в болотных угодьях
Хотя болотные угодья активно используются для обработки множества жидких отходов, до сих пор неясно, какие элементы в ходе очистки остаются в системе и в какой месте болота они откладываются. Неспособность точно определить место выполнения конкретного этапа очистки в болоте и его естественную активность сдерживает развитие данной технологии фильтрации. Вопрос особо остро стоит в отношении государственных служб, которые требуют точную количественную оценку функциональности болотных угодий. Она необходима для разработки нормативных актов на выбросы сточных вод.

Бесспорным, однако, является факт эффективной фильтрации в искусственных болотах: вода на входе значительно более грязная, чем на выходе. Успех любой очистной системы зависит от ряда проектировочных решений, который объединены для создания оптимальных условий протекания физико-химических и биологических процессов. Эти решения также должны максимально упростить эксплуатацию системы.

На базовом уровне важными компонентами болотных угодий являются:
— простая яма в земле или специально построенная емкость, но необязательно прямоугольная. Иногда это тонкая линия;
— минеральное ложе в качестве субстрата для активации микробной популяции;
— поверхностный слой почвы или соломы.

Поверхность специально засаживается или оставляется для естественного прорастания высших болотных растений. Грязная вода проходит вдоль всей длины болота и покидает его в контрольной точке. Конструкция позволяет управлять напором входящей и выходящей воды.

Типы болотных угодий
Существует два основных типа болотных угодий; болота со свободным потоком воды (Free Water Flow) или с поверхностным водным потоком и болота с подповерхностным водным потоком (Sub-surface Flow). Они изображены на рисунках 1 и 2.

Болота со свободным потоком воды (сверху), болота с подповерхностным током воды (снизу) (илл. G. Proffitt)
Рисунок 1. Болото со свободным потоком воды (сверху); Рисунок 2. Болото с подповерхностным током воды (снизу) (илл. G. Proffitt)

Болота со свободным потоком воды
Вода проходит по поверхности земли; подводная и надводная растительность располагается на границе водоема и в толще. Загрязненная вода фильтруется при прохождении через поверхность системы и поверхностные слои гниющей растительности. Обычно этот тип болот используется, когда нет недостатка места и где важен эстетический вид. Он имеет преимущества, потому что кислород может диффундировать через границу раздела сред «воздух/вода».

Болота с подповерхностным током воды
Уровень воды находится под землей; водный поток проходит через минеральное ложе. Корни растений пронзают основание минеральной положки и напрямую вводят кислород через растущие части. Пассивная диффузия кислорода осуществляется вдоль старых и гниющих корней. В правильном исполнении подповерхностные болота не имеют открытых участков воды. Они более компактны и обычно используются в условиях ограниченного пространства.

Схема поверхностных и подповерхностных болотных угодий может варьировать в зависимости от конкретных задач и условий местности. Оба типа систем могут быть построены в естественной среде или в городских условиях.

Схема болотных угодий
Первичное осаждение

Если в схему введен отстойник и предварительный этап осаждения, эффективность очистки возрастает, а затраты на обслуживание снижаются. На этом этапе производится осаждение большинства крупных частиц перед их попаданием в болото. В присутствии отстойника предотвращается заиливание и снижение водного потока. Предварительная обработка важна как в поверхностном, так и в подповерхностном типе систем.

Вторичная обработка
Болотные угодья могут принимать различные формы, но основы каждой системы схожи. Пример одной из таких систем показан на рисунке 3. Бывшие канальные пруды для выращивания форели были преобразованы в болотные очистные сооружения.

Конструкция включает две ячейки с подповерхностным водным потоком, разделенных ячейками с поверхностным потоком. Вода поступает в ячейку под действием силы тяжести, проходит горизонтально через минеральное ложе и покидает основание каждого участка. Затем она направляется на поверхность следующей ячейки.

Искусственное болото ферма Murgat , Франция (илл. G. Proffitt).
Рисунок 3. Искусственное болото ферма Murgat , Франция (илл. G. Proffitt).

A. Входной поток выполнен таким образом, чтобы распределять загрязнения по всей площади болота;
B. Труба для выхода воды с регулируемым уровнем. Располагается между ячейками и в конце системы. Эти контрольные точки позволяют точно регулировать уровень воды и при необходимости осушать болото;
C. Тростник обыкновенный (Phragmites communis), Рогоз широколистный (Typha latifolia) и другие болотные растения;
D. Субстрат глубиной 50-70 см: корни растений насквозь проходят через него и обеспечивают кислородом глубокие участки основания субстрата. Перенос кислорода связан с корневой системой и обусловлен активным транспортом к растущим корням и пассивной диффузией вдоль старых гниющих корней;
E. Искусственное минеральное ложе; минеральные участки среднего диаметра 4 см («гравий»). Этот размер оптимален для прохождения воды через ячейки системы и. в тоже время, обеспечивает поверхность для бактерий. Поверхность гравия должна покрываться слоем почвы или соломы;
F. Разрастание водной растительности;
G. Каменный габион удерживает гравий и почву, но обеспечивает свободное передвижение воды.

Поперечный срез, на котором показано устройство удерживающего габиона, растений и ложа
Поперечный срез, на котором показано устройство удерживающего габиона, растений и ложа
Конструкция болотного угодья на ферме Murgat, Франция
Конструкция болотного угодья на ферме Murgat, Франция. 1. Каменный габион для удерживания почвы и растений; 2. Простейший механизм поддержания уровня воды; 3. Шлюз для контроля уровня воды (илл. G. Proffitt)

Растения для болотных угодий
В Европе и США чаще всего используются Обыкновенный тростник (Phragmites australis), Рогоз широколистный (Typha latifolia) и Схеноплектус озёрный (Schoenoplectus lacustris). Выбор должен быть сделан в пользу местных видов растений, потому что они более приспособлены к местному климату и составу почв. Использование местных растений также снижает затраты на транспортировку и предотвращает непредвиденное прорастание нецелевых видов вместе с выбранными видами растений.

Обыкновенный тростник, преимущественно используемый в Европе, быстро растет и глубоко укореняется по сравнению с другими видами. Он легко высаживается в виде спящих ризом или единичных растений. Плотность посадки 5 -6 растенй/м2 позволяет полностью покрыть водоем на один сезон. Как было отмечено ранее, важно, чтобы корни проникли к основанию каждой ячейки болота. Обычно тростник глубоко укореняется (40 см). Для наиболее глубокого укоренения необходимо постепенно снижать уровень воды осенью. Новые корни будут активно «искать» влажную почву на глубине.

Растения поддерживают процесс очистки не только абсорбируя питательные вещества, но также обеспечивая поверхность для роста микробного сообщества. Корни проникают в глубокие слои, и участки, остающиеся после их гниения, богаты кислородом, который необходим для нитрификации. Растения после разложения также являются источником углерода, вовлеченного в процесс денитрификации.

Использование искусственных болот в аквакультуре
Загрязнения, производимые живыми организмами, включают твердые частицы (в составе азот, фосфор и углерод) и растворенные загрязнения (углекислый газ, аммиак, ортофосфат) и следовые элементы.

Процессы, происходящие в аквакультуре, приводят к образованию различных загрязнений. Недавний доклад с крупной фермы по выращиванию рыб в садках в Швеции отметил, что на тонну получаемой рыбы образуется 6,4 кг фосфора и 55,0 кг азота. С другой стороны, в крупном наземном хозяйстве на каждую тонну рыбы выделяется 11,3 кг фосфора и 86,2 кг азота. Среднее значение образующихся отходов составило 8,2 кг для фосфора и 64,7 кг для азота.

В Венгрии Kerepeczki измерил ежегодное выделение загрязнений с хозяйства по выращиванию сома (Clarias gariepinus). Были получены следующие значения: 5100 кг азота, 2900 кг фосфора и 29500 кг органического вещества. Значительная часть этих загрязнений образовывалась из несъеденного корма и фекалий.

Одной из причин развития искусственных болот в качестве элемента аквакультурного хозяйства является снижение загрязняющего эффекта сточных вод на принимающие воды экосистемы. Её решение требует снижение органического вещества в стоке до приемлемого уровня, включая взвешенные частицы и 5-дневное биохимическое потребление кислорода (BOD5); питательные вещества, особенно, азот в составе аммония и фосфат.

Взвешенные частицы включают все твердые органические и неорганические компоненты загрязнения. В сточной воде жилого дома примерно 50% органического и 50% неорганического вещества. Органическое вещество подвергается гниению, центральному процессу в цикле обработки загрязненных вод.

Взвешенные частицы эффективно удаляются в искусственных болотах. Преобладающая часть взвеси удерживается в первых нескольких метрах первой ячейки, где через гравий и почву происходит механическая фильтрация. В среднем, концентрация взвешенных частиц снижается со >100 мг/л до 20 мг/л. Этот процесс протекает во время гидравлического удержания за один день. Незначительная часть взвеси осаждается также по истечение данного времени.

BOD5 демонстрирует уровень биологически активного органического вещества в образце сточных вод. Показатель BOD5 схож с химическим потреблением кислорода (COD) с той лишь разницей, что он показывает содержание органических соединений в образце. В свою очередь, COD неспецифичен к содержанию биологических соединений, потому что демонстрирует уровень всех химически окисляемых веществ.

Чистая речная вода имеет BOD5 менее 1 мг/л. Умеренно загрязненная река имеет BOD5 2-8 мг/л. Бытовые сточные воды, очищенные в ходе третичной обработки, содержат BOD5 около 20 мг/л. Необработанные сточные воды в Европе, в среднем, имеют 600 мг/л BOD5. Шлам из молочного хозяйства имеет BOD5 около 8000 мг/л, а силосный сок – 60000 мг/л.

BOD5, мг/лКачество водыПримеры
1ОтличноеЧистая речная вода
1-2Хорошее, удовлетворительноеПроточная система культивирования
2-8Умеренно загрязненаРечная вода
20Слегка загрязненаОбработанные бытовые воды
600Сильно загрязненаНеобработанные бытовые воды
8000Очень сильно загрязненаШлам из молочного хозяйства
60000Очень сильно загрязненаСилосный сок

BOD5 быстро снижается в болотных угодиях после введения процессов осаждения и физического отделения взвешенных частиц в погруженном минеральном слое. BOD5 падает практически до нуля после прохождения воды через поверхность гравийного субстрата, корни растений и ризомы. На этом участке отмечается высокая плотность микробов, которые используют растворенное органическое вещество для своего роста.

Так как BOD5 тесно связан с концентрацией органических соединений с твердом виде, наблюдается сильная корреляция между BOD5 и взвешенными частицами. В первой ячейки болотного угодья наблюдается быстрое снижение не только взвеси, но также BOD5. При этом, когда гидравлическое время удержание составляет более 1,5 дня, дополнительное снижение BOD5 незначительно.

Азот и аммоний
Кода азот в составе органических соединений поступает в болото, процессы разложения и минерализации, переводят значительную его часть в неионизированную форму (NH3). Это основной загрязнитель, ядовитый для большинства гидрбионтов, включая рыб. Его удаление из болотных угодий происходит благодаря сложным биологическим процессам. Включающим аэробную нитрификацию с последующей анаэробной денитрификацией.

Процесс нитрификации нуждается в кислороде и неэффективен в анаэробных условиях. Для наиболее полного удаления аммиака кислороду необходимо пройти по всей ячейке болота. Активное развитие корневой системы растений способствует этому. Кроме того, корни расчищают место для развития бактериальной пленки, которая переводил аммиак в нитрат. Время утилизации аммония длится дольше, чем фильтрация взвеси и снижение BOD5: нужно 4-7 дней для 80-90% снижения концентрации аммиака. Для этого корневая система должна достигать самого основания ячейки болота, либо следует оставить открытыми некоторые участки болота для свободного газообмена.

Биологический захват азота в болотных угодьях составляет 200-800 мг/м2/день. Эта скорость удаления из системы зависит от конструкции системы и условий местности (климат).

Фосфор
Фосфор является ключевым элементом в постройке ряда структур и обеспечении процессов в живых организмах. Химические продукты на основе фосфора чаще всего используются в качестве удобрений. С экологической точки зрения, фосфор является лимитирующим питательным веществом во многих системах, потому что его доступность влияет на рост живых организмов.

В экосистеме избыток данного элемента вызывает ряд проблем. Это незаменимый компонент, который должен доставляться в ограниченных количествах. Как правило, избыток фосфора вызывает цветение. Даже в условиях избытка азота, недостаток фосфора сдерживает бурное цветение водорослей.

Удалить данный элемент из воды очень сложно. Фосфор может накапливаться почвой вплоть до полного насыщения, но затем потребуется обновление субстрата. Кроме того, фосфаты можно переводить в нерастворимую форму с помощью введения железа, оксида алюминия карбоната кальция в форме известняка. Затем осадок удаляется из болота.

Если удаление фосфата является основной задачей искусственного болота, следует включить в систему дополнительные объемы под минеральное ложе (песок) для связывания.

Потенциальное влияние болотных угодий на работу хозяйства
Ожидаемые результаты

Сравнительный анализ работы искусственных болот агентством защиты окружающей среды США показал, что ожидается снижение следующих показателей воды.

Хотя эти данные получены не в рыбоводческих хозяйствах, они демонстрируют потенциальную пользу от использования болотных угодий для обработки сточных вод в условиях аквакультуры. Недавно венгерские исследователи института Лейбница Экологии пресных вод и болот получили подтверждения этому. Их самодельное болото, установленное на выходе форелевого канального пруда, существенно снижало концентрацию загрязнений. Значения были схожи с очистными болотными угодьями, используемыми в других сферах хозяйственной жизни.

Концентрация взвешенных частиц, химическое потребление кислорода, общий фосфор и общий азот в сточной воде снижалась в системе с подповерхнстным водным потоком на 92 — 97% (SS), 64 — 74% (COD), 49 — 69% (TP) и 21 — 42% (TN). Эффективность обработки взвешенных частиц, химического потребления кислорода и общего фосфора была одинакова в летний и зимний период. Однако зимой замедлялась денитрификация, что приводило к увеличению концентрации нитрата и общего азота. Очистка промывочной воды из микросетчатого фильтра приводила к снижению концентрации взвешенных частиц, химического потребления кислорода, общего фосфора и общего азота на 97 — 99% (SS), 8 7 — 93% (COD), 83 — 98% (TP) и 83 — 96% (TN).

Заключение
Искусственные болотные угодья являются «жизнеспособным» и дешевым методом очистки сточных вод. Их внедрение в ведение аквакультуры технически оправдано. Болотные угодья позволят снизить давление хозяйств на окружающую среду.
——
1. (Alänära A, et al. (2006). The nutrient load from Swedish fish-farms. Paper
presented at Aqua2006 conference, Florence, May. European Aquaculture
Society Conference Report.
2. (Kerepeczki, É. (2006). Treatment of intensive fish farm effluent in a combined
fishpond-wetland system. Paper presented at Aqua2006 conference, Florence,
May. European Aquaculture Conference Report.
3. Sherwood C.R. (1993). Sub-surface Flow Constructed Wetlands For Waste Water
Treatment. US Environmental Protection Agency. EPA 832-R-93-008.
4. Anderson I.C. and Levine J.S. (1986). Relative rates of nitric oxide and nitrous
oxide production by nitrifiers, denitrifiers, and nitrate respirers. Applied
Environmental Microbiology. 51, 938–945.
5. Sherwood C.R. (1993). Sub-surface Flow Constructed Wetlands For Waste Water
Treatment. US Environmental Protection Agency. EPA 832-R-93-008.
6. Schulz C. et al. (2006). Treatment of rainbow trout farm effluents in constructed
wetlands. Paper presented at Aqua2006 conference, Florence, May. European
Aquaculture Society Conference Report.

Реакция постоянных читателей:

Заметил ошибку, тык*:

 Orphus

Комментарии Вконтакте:

Добавить комментарий

Войти с помощью: 

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *