Введение

Вода играет жизненно важную роль во всех живых организмах. Из-за роста промышленного загрязнения и численности населения дефицит воды стал глобальной проблемой. Крупные целлюлозно-бумажные комбинаты требуют около 250–400 м³ пресной воды для производства одной тонны бумаги. В результате сбрасывается огромный объём сточных вод, содержащих 75–95% органических и неорганических загрязнителей. Органические соединения в сточных водах включают хлорированные фенолы, хлорированный лигнин, карбоновые кислоты, ненасыщенные жирные кислоты и смоляные кислоты.

Существующие методы очистки сточных вод

Для очистки сточных вод бумажных фабрик применяются различные методы третичной очистки:

• ионообмен и адсорбция,
• флокуляция,
• мембранная фильтрация,
• глубокая окислительная обработка.

Эти методы обеспечивают снижение ХПК и содержания хлорорганических соединений, однако имеют недостатки: образование большого объёма осадка, технологическая сложность и высокая стоимость. В связи с этим актуальным направлением становится фиторемедиация — биологическая технология, основанная на использовании растений. Она является дешёвой, природоподобной и практичной.

Искусственные болотные системы

Искусственные болотные системы — это инженерные природоподобные сооружения, обеспечивающие недорогие методы фиторемедиации с высоким потенциалом очистки промышленных сточных вод. Они эффективно сокращают количество загрязнителей (неорганических веществ, цветности, органики, металлов) за счёт сложных физических, химических и биологических процессов. Эффективность зависит от:

• конструкции системы,
• вида загрязнителя,
• используемой растительности,
• взаимодействия в корневой зоне,
• гидравлической нагрузки (HLR),
• климатических факторов.

Плавающие гидропонные системы (FHS)

Плавающие гидропонные системы являются развитием искусственных болотных систем. Их преимущества:

• требуют меньшей площади,
• просты в конструкции,
• дешевле традиционных сооружений,
• обеспечивают дополнительные экосистемные услуги.

Основой является био-плот (Bio-raft), удерживающий растения на поверхности воды и обеспечивающий оптимальный контакт корневой системы с загрязнённым стоком. Корни выполняют сразу несколько функций:

• способствуют развитию биоплёнки,
• улавливают мелкие взвешенные частицы,
• поглощают питательные вещества,
• выделяют кислород, влияя на редокс-потенциал воды и аэробную деградацию загрязнителей.

Роль растений и выбор вида

Успешность фиторемедиации зависит от растений, устойчивых к высоким концентрациям токсичных веществ. На данный момент известно около 400 видов, применяемых для ремедиации почв и воды. Особый интерес представляет ветивер (Chrysopogon zizanioides), который:

• устойчив к тяжёлым металлам,
• хорошо переносит неблагоприятные условия,
• способствует успешной фиторемедиации.

Аэрация в системах FHS

Сочетание плавающих систем с аэрацией:

• снижает запах,
• стимулирует развитие корней,
• ускоряет процессы очистки.

Установлено, что при аэрации:

• удаление органического углерода выше, чем без аэрации,
• на снижение БПК и ХПК требуется 2–4,5 дня вместо 7–8,
• эффективность удаления аммония достигает 93,4–100%.

Пилотное исследование с использованием ветивера

Проведено пилотное исследование по применению травы ветивера в FHS для очистки сточных вод картонного производства. Система включала аэрацию и была протестирована на очищенных (TE) и сырых (RE) стоках. Наибольшую эффективность показала система с ветивером и аэрацией при обработке очищенных стоков.

Выбор растения: ветивер

В качестве растения для исследования был выбран ветивер (Chrysopogon zizanioides). Его физиологические и морфологические свойства делают его особенно эффективным для процессов фиторемедиации. Ветивер обладает мощной корневой системой, устойчив к загрязнениям и способен поглощать широкий спектр химических веществ и тяжёлых металлов.

Постановка эксперимента

Исследование проводилось в пилотном масштабе с использованием сточных вод бумажной фабрики. Рассматривались два типа сточных вод: предварительно обработанные (TE) и сырые (RE). В системе использовался ветивер в гидропонной культуре в сочетании с аэрацией, что усиливало процессы очистки.

Результаты исследования

Показатели солевого состава

Было зафиксировано значительное снижение:

• электропроводности – на 39,39%;
• общих растворённых солей – на 56,19%;
• суммы растворимых солей – на 81,19%.

Органические вещества

Биологическая потребность в кислороде (БПК) снизилась на 55,68%, а химическая потребность в кислороде (ХПК) – на 58,01%. Это указывает на высокую эффективность удаления органических загрязнителей.

Питательные вещества

Отмечено уменьшение концентраций:

• азота – на 59,24%;
• фосфора – на 47,78%;
• калия – на 54,64%.

Эти изменения связаны с интенсивным ростом ветивера, который поглощал питательные элементы из воды.

Тяжёлые металлы

Концентрация свинца снизилась на 65,63%, достигнув уровня 0,09 мг/л, что соответствует допустимым нормам. Содержание кадмия уменьшилось на 64,29%.

Заключение

Результаты показали, что гидропонная система с ветивером и аэрацией является эффективным, экологичным и экономически выгодным методом очистки сточных вод целлюлозно-бумажной промышленности. Такой подход может стать перспективным направлением для разработки устойчивых технологий очистки в будущем.

-----
Veeraswamy Davamani et al. Hydroponic phytoremediation of paperboard mill wastewater by using vetiver (Chrysopogon zizanioides)
Author links open overlay panel.Journal of Environmental Chemical Engineering. Volume 9, Issue 4, August 2021