Искусственные водно-болотные угодья для очистки сточных вод

Введение

Искусственная водно-болотная система для очистки муниципальных или промышленных сточных вод, серого или ливневого стока.

Созданная водно-болотная система – это искусственная водно-болотная система, предназначенная для очистки сточных вод, серого или ливневого стока, а также промышленных сточных вод. Она также может быть использована для рекультивации земель после добычи полезных ископаемых или в качестве компенсационных мероприятий при утрате природных территорий в результате застройки. Созданные водно-болотные системы – это инженерные сооружения, использующие естественные функции растительности, почвы и организмов для вторичной очистки сточных вод. Проектирование водно-болотной системы должно быть адаптировано к типу очищаемых сточных вод. Созданные водно-болотные системы применяются как в централизованных, так и в децентрализованных системах водоотведения. Предварительная очистка рекомендуется при высоком содержании взвешенных веществ или растворенных органических веществ (измеряемых как биохимическое потребление кислорода и химическое потребление кислорода). Биофильтр имеет некоторые сходства с созданной водно-болотной системой, но обычно не содержит растений. Термин "созданные водно-болотные системы" также может применяться для описания восстановленных и рекультивированных земель, ранее разрушенных в результате осушения и преобразования в сельскохозяйственные угодья или разработки месторождений полезных ископаемых.

Обзор

Строительное водно-болотное сооружение – это спроектированная последовательность водоемов, предназначенная для очистки сточных вод или ливневого стока. Растительность в водно-болотном сооружении обеспечивает субстрат (корни, стебли и листья), на котором могут расти микроорганизмы, разлагающие органические вещества. Это сообщество микроорганизмов известно как перифитон. Перифитон и естественные химические процессы отвечают примерно за 90 процентов удаления загрязняющих веществ и разложения отходов. Растения удаляют около семи-десяти процентов загрязняющих веществ и служат источником углерода для микробов при их разложении. Различные виды водных растений обладают разной скоростью поглощения тяжелых металлов, что необходимо учитывать при выборе растений для строительного водно-болотного сооружения, используемого для очистки воды. Строительные водно-болотные сооружения бывают двух основных типов: с подземным и поверхностным потоком. Строительные водно-болотные сооружения – это один из примеров природных решений и фиторемедиации. Системы строительных водно-болотных сооружений представляют собой высококонтролируемые среды, предназначенные для имитации процессов, происходящих в почве, флоре и микроорганизмах естественных водно-болотных угодий, с целью очистки сточных вод. Они создаются с определенными режимами потока, микробиотическим составом и подходящими растениями для обеспечения наиболее эффективного процесса очистки.

Применение

Строительные водно-болотные угодья могут использоваться для очистки неочищенных сточных вод, ливневых стоков, сельскохозяйственных и промышленных сточных вод. Они имитируют функции природных водно-болотных угодий, чтобы улавливать ливневые стоки, снижать содержание питательных веществ и создавать разнообразные места обитания для диких животных. Строительные водно-болотные угодья применяются для очистки хозяйственно-бытовых или серых сточных вод. Многие регулирующие органы включают очистные водно-болотные угодья в список рекомендованных "наилучших практик управления" для контроля поверхностного стока в городах.

Удаление загрязняющих веществ

В водно-болотных угодьях физические, химические и биологические процессы совместно удаляют загрязняющие вещества из сточных вод. Понимание этих процессов имеет фундаментальное значение не только для проектирования систем водно-болотных угодий, но и для понимания судьбы химических веществ после их попадания в водно-болотные угодья. Теоретически очистка сточных вод в искусственно созданных водно-болотных угодьях происходит по мере прохождения воды через водно-болотную среду и растительную ризосферу. Тонкая пленка вокруг каждого корневого волоска является аэробной благодаря утечке кислорода из корневищ, корней и корешков. Взвешенные вещества фильтруются, оседая в водной толще в водно-болотных угодьях с поверхностным потоком, или физически отфильтровываются средой в водно-болотных угодьях с подповерхностным потоком. Вредные бактерии, грибки и вирусы уменьшаются за счет фильтрации и адсорбции биофильмами на гравийной или песчаной среде в системах с подповерхностным и вертикальным потоком.

Удаление азота

Доминирующие формы азота в водно-болотных угодьях, важные для очистки сточных вод, включают органический азот, аммиак, аммоний, нитраты и нитриты. Общий азот охватывает все соединения азота. Удаление азота из сточных вод важно из-за токсичности аммиака для рыб при сбросе в водоемы. Считается, что избыток нитратов в питьевой воде может вызывать метгемоглобинемию у младенцев, снижая способность крови переносить кислород. Более того, избыточное поступление азота из точечных и рассеянных источников в поверхностные воды способствует эвтрофикации рек, озер, эстуариев и прибрежных океанов, что приводит к ряду проблем в водных экосистемах, таких как токсичные вспышки водорослей, дефицит кислорода в воде, гибель рыбы и потеря водного биоразнообразия. Удаление аммиака в искусственных водно-болотных угодьях – при условии их проектирования для биологического удаления питательных веществ – происходит аналогично очистным сооружениям, но без энергоемкого внешнего добавления воздуха (кислорода). Нитрификация – это строго аэробный процесс, конечным продуктом которого является нитрат (NO3). В процессе нитрификации аммоний (из сточных вод) окисляется до нитрита (NO2), а затем нитрит окисляется до нитрата (NO3).

Денитрификация

Денитрификация – это биохимическое восстановление окисленных азотистых анионов, нитратов и нитритов до газообразных продуктов – оксида азота (NO), закиси азота (N2O) и азота, сопровождающееся окислением органического вещества, включая цианиды и нитраты.

Удаление металлов

Строительные водно-болотные угодья широко используются для удаления растворенных металлов и металлоидов. Хотя эти загрязнители часто встречаются в шахтном дренаже, они также обнаруживаются в ливневых стоках, фильтрате с полигонов и других источниках (например, фильтрате или промывных водах FDG на угольных электростанциях), для очистки которых водно-болотные угодья создавались изначально для шахт.

Горнодобывающая водаУдаление кислотного стока

Искусственные водно-болотные угодья также могут использоваться для очистки кислотных шахтных вод из угольных шахт.

Удаление патогенов

Строительные водно-болотные угодья не предназначены для удаления патогенов, но разработаны для удаления других показателей качества воды, таких как взвешенные вещества, органические вещества (биохимическое потребление кислорода и химическое потребление кислорода) и питательные вещества (азот и фосфор). Подповерхностные водно-болотные угодья с вертикальным или горизонтальным режимом потока также распространены и могут быть интегрированы в городские районы, поскольку они требуют относительно небольшой площади. [[File:Tilley et al 2014 Schematic of the Horizontal Subsurface Flow Constructed Wetland. jpg|thumb|Схема горизонтального подповерхностного водно-болотного угодья: сток течет горизонтально по слою фильтрующего материала.] В водно-болотных угодьях с горизонтальным потоком сток движется горизонтально под действием силы тяжести, параллельно поверхности, без образования поверхностной воды, что предотвращает размножение комаров. Водно-болотные угодья с вертикальным потоком считаются более эффективными и требуют меньшей площади по сравнению с водно-болотными угодьями с горизонтальным потоком. Однако они требуют периодической загрузки, а их проектирование требует больше знаний и опыта, в то время как водно-болотные угодья с горизонтальным потоком могут принимать сточные воды непрерывно и их легче строить. Очищенные бытовые сточные воды могут нуждаться в дополнительной (третичной) очистке в зависимости от предполагаемого применения для повторного использования. Они также подходят для очистки ливневых стоков. В поверхностных водно-болотных угодьях сток всегда движется горизонтально через корни растений, а не вертикально. Для очистки воды им требуется относительно большая площадь по сравнению с подповерхностными водно-болотными угодьями, и они могут иметь более выраженный запах и сниженную эффективность зимой. Поверхностные водно-болотные угодья внешне похожи на пруды для очистки сточных вод (например, "стабилизационные пруды"), но в технической литературе не классифицируются как пруды. Патогены уничтожаются естественным разложением, поеданием высшими организмами, осаждением и ультрафиолетовым излучением, поскольку вода подвергается воздействию прямого солнечного света. Поверхностные водно-болотные угодья могут функционировать на широком спектре типов почв, включая илистый грунт и другие глинистые отложения. Растения, такие как водяной гиацинт (Eichhornia crassipes) и виды Pontederia, используются во всем мире (хотя рогоз и тростник являются высокоинвазивными). Однако поверхностные водно-болотные угодья могут способствовать размножению комаров. Они также могут характеризоваться повышенным ростом водорослей, что снижает качество очищенных сточных вод, а из-за открытой водной поверхности, комаров и запахов, их сложнее интегрировать в городскую среду.

Constructed wetlands are not designed for pathogen removal, but have been designed to remove other water quality constituents such as suspended solids, organic matter (biochemical oxygen demand and chemical oxygen demand) and nutrients (nitrogen and phosphorus). Subsurface flow constructed wetlands with a vertical or a horizontal flow regime are also common and can be integrated into urban areas as they require relatively little space.]] [[File:Tilley et al 2014 Schematic of the Horizontal Subsurface Flow Constructed Wetland. jpg|thumb|Schematic of the Horizontal Subsurface Flow Constructed Wetland: Effluent flows horizontally through the bed. In the horizontal flow constructed wetland the effluent moves horizontally via gravity, parallel to the surface, with no surface water thus avoiding mosquito breeding. Vertical flow constructed wetlands are considered to be more efficient with less area required compared to horizontal flow constructed wetlands. However, they need to be interval loaded and their design requires more know how while horizontal flow constructed wetlands can receive wastewater continuously and are easier to build. Treated domestic wastewater might need a tertiary treatment, depending on the intended reuse application. They are also suitable to treat stormwater drainage. Surface flow constructed wetlands always have horizontal flow of wastewater across the roots of the plants, rather than vertical flow. They require a relatively large area to purify water compared to subsurface flow constructed wetlands and may have increased smell and lower performance in winter. Surface flow wetlands have a similar appearance to ponds for wastewater treatment (such as "waste stabilization ponds") but are in the technical literature not classified as ponds. Pathogens are destroyed by natural decay, predation from higher organisms, sedimentation and UV irradiation since the water is exposed to direct sunlight. Surface flow wetlands can be supported by a wide variety of soil types including bay mud and other silty clays. Plants such as water hyacinth (Eichhornia crassipes) and Pontederia spp. are used worldwide (although Typha and Phragmites are highly invasive). However, surface flow constructed wetlands may encourage mosquito breeding. They may also have high algae production that lowers the effluent quality and due to open water surface mosquitos and odours, it is more difficult to integrate them in an urban neighbourhood.

Гибридные системы

Для использования специфических преимуществ каждой системы возможно сочетание различных типов искусственных водно-болотных угодий. Интегрированные водно-болотные угодья могут представлять собой более устойчивые системы очистки по сравнению с другими типами искусственных водно-болотных угодий. Интегрированные водно-болотные угодья используются в Ирландии, Великобритании и Соединенных Штатах с примерно 2007 года. С 2008 года Шотландское агентство по охране окружающей среды и Агентство по охране окружающей среды Северной Ирландии продвигают сельскохозяйственные водно-болотные угодья, которые являются подтипом интегрированных водно-болотных угодий. Ландшафтная архитектура имеет давнюю историю работы с эстетическим аспектом водно-болотных угодий. Ландшафтные архитекторы также консультируют по вопросам законодательства и нормативных актов, связанных со строительством водно-болотных угодий.

Растения

Тифы и фрагмиты – основные виды, используемые в создаваемых водно-болотных угодьях благодаря своей эффективности, хотя за пределами естественного ареала они могут быть инвазивными. В Северной Америке камыши (Typha latifolia) широко распространены в создаваемых водно-болотных угодьях из-за их повсеместной распространенности, способности расти при разной глубине воды, легкости транспортировки и пересадки, а также широкой толерантности к составу воды (включая pH, соленость, содержание растворенного кислорода и концентрацию загрязняющих веществ). В других регионах обыкновенный тростник (Phragmites australis) также часто используется (как для очистки сточных вод, так и в системах очистки серых вод). Растения обычно являются местными видами в данной местности по экологическим соображениям и для обеспечения оптимальной работы системы.

Животные

Местные нехищные рыбы могут быть добавлены в искусственные водно-болотные угодья с поверхностным потоком для уничтожения или сокращения численности вредителей, таких как комары. Водоемы ливневой канализации предоставляют среду обитания для амфибий, но накапливаемые в них загрязнители могут негативно влиять на выживаемость личиночных стадий, потенциально превращая их в "экологические ловушки".

Расходы

Поскольку искусственные водно-болотные системы самодостаточны, их эксплуатационные расходы на протяжении всего срока службы значительно ниже, чем у традиционных очистных сооружений. Зачастую их капитальные затраты также оказываются ниже, чем у традиционных очистных сооружений. Однако они требуют значительных площадей, поэтому не являются оптимальным решением в районах с высокой стоимостью земли.

История

Первичный сток от первичного отстойника сбрасывался непосредственно в естественные водно-болотные угодья на протяжении десятилетий, пока природоохранные нормы не сделали эту практику нежелательной. Созданные водно-болотные угодья с подповерхностным потоком и песчаными фильтрами возникли в Китае и сейчас используются в Азии в небольших городах. В связи с юридическими требованиями (нитрификации) в Австрии применяются только водно-болотные угодья с вертикальным потоком, поскольку они демонстрируют более высокую эффективность нитрификации, чем водно-болотные угодья с горизонтальным потоком. Только около 100 из этих водно-болотных угодий рассчитаны на 50 и более условных жителей. Оставшиеся 5350 очистных сооружений имеют меньшую мощность.