Актуальные экологические проблемы могут быть решены массовым применением биологических систем фильтрации и аэрации воды, использующих природные материалы, что сократит вред от производства химикатов и компонентов фильтров. В городах такие системы, интегрированные в ландшафт, помогут в озеленении и повысят выработку кислорода. Биологические методы, в отличие от механических и химических, более благоприятны для экосистемы водоёмов, обеспечивая естественную взаимосвязь организмов. Несмотря на сложности обслуживания и чувствительность, внедрение растений в биологические системы упростит уход и повысит их эффективность. В результате, широкое применение биологических систем фильтрации и аэрации воды с использованием растений станет эффективным и экологичным решением для улучшения состояния окружающей среды.
Введение
Урбанизация стимулирует создание искусственных водоёмов, однако фильтрация и аэрация воды становятся ключевыми проблемами. Современные решения часто неэкологичны и зависят от электроэнергии, портя ландшафт. Создание саморегулирующихся экосистем в водоёмах — сложная задача, отпугивающая многих. В результате, люди отказываются от экологичных идей, не изучая возможности обособленных биологических систем фильтрации и аэрации. Данная работа посвящена исследованию применения и свойств компонентов таких систем.
Цель: изучить возможность использования объединённых биологических систем фильтрации и аэрации воды для водоёмов, с применением максимально возможного количества природного материала, путём проектирования системы и проведения экспериментов доказывающих или опровергающих фильтрационные и аэрационные свойства природного материала.
Задачи
- Исследовать фильтрационные свойства мхов
- Исследовать аэрационные свойства водных растений
- Применить полученные данные из первых двух частей работы при проектирование биологической системы фильтрации и аэрации воды.
- Проанализировать результаты, полученные в ходе всей работы, сделать общий вывод.
Глава 1. Ступень фильтрации
1.1 Литературный обзор первой главы
1.1.1 Область применения
Для удобства создания, а также проведения будущих экспериментов, за основу было взято положение о том, что система должна отвечать требованиям небольшого водоёма, заселённого рыбой. Такое решение было принято вследствие нескольких факторов.
Во-первых, наибольший простор для применения такая система могла бы иметь именно для содержания рыбы, так как в системе предусматривается аэрационная часть с высокой производительностью.
Во-вторых, за необходимый результат работы нашей системы удобно принять именно воду, пригодную для содержания рыбы, так как при достижение такого результата можно будет говорить о применение системы в отраслях с меньшими требованиями к качеству воды.
В-третьих, дабы оценивать качественную работу нашей системы, мы не стремимся к слишком большому количеству воды, проходящему через неё в сутки, так как последствия такого активного тока воды предсказать довольно трудно. Вследствие этого мы будем ориентироваться на объём воды в несколько сотен литров, в зависимости от производительности, которую мы сможем обнаружить в ходе эксперимента.
1.1.2 Условия содержания рыбы в водоёме
1.1.2.1 Температура воды
Необходимо начать с того, для каких рыб будут созданы условия. Рыбу для водоёмов условно делят на два типа: тепловодные и холодноводные. Для нашей работы имеет значение лишь тот факт, что декоративные виды рыб в основном тепловодные, в отличии от холодноводных, которых относят к промысловым видам рыб. Также вследствие повышенной температуры воды (от 8 до 20 градусов Цельсия), кислород будет растворяться в ней хуже, а значит необходимы будут улучшения для аэрационной части системы.
1.1.2.2 Объём воды
Глубина водоёма для комфортного содержания рыб также варьируется, если учесть, что водоём не замерзает на зиму и рыбе нет необходимости впадать в спячку, то глубина может быть от 50 до 100 сантиметров. Более того для декоративного пруда представляют опасность и домашние животные с птицами, поэтому ориентировочная глубина для таких условий составляет около 70 сантиметров. Если предположить, что водоём на зиму заледеневает, то рыбе необходимо находиться на глубине около 1.8 метров, где температура составляет около 6 градусов Цельсия при отрицательной температуре внешней среды. Данная информация необходима для того, чтобы определить необходимый объём воды для фильтрации.
Площадь водоёма для декоративных видов рыб, например, карпа, составляет около 20 квадратных метров. Норма зарыбления в пруду может составлять около 10–20 рыб на 1000 литров воды.
1.1.2.3 Характеристики воды
Оптимальным содержанием кислорода в воде для жизни и нереста рыбы считается 5–6мг/л при температуре 10 градусов Цельсия. Учитывая температуру воды для рыбы летом, которая составляет около 20 градусов, оптимальным содержанием кислорода будет считаться 6–7 мг/л.
Химический состав воды также влияет на состояние рыбы в пруду. Большое количество соединений азота в воде может оказывать пагубное влияние на состояние здоровья рыб, однако данные соединения нейтрализуются посредством кислорода растворённого в воде, что является ещё одной причиной необходимости поддерживать его постоянно на одном уровне.
Значения водородного показателя среды должны быть приблизительно равными 7 pH, однако допустимы и значения более высокие так как небольшое повышение щелочности среды, не оказывает пагубного влияния на организм, но большое понижение водородного показателя среды может вызывать у рыбы стресс, что особенно актуально в зимний период. Среда может быть слабощелочной.
Важным также будет сказать о количестве растворённых солей в воде. Соли кальция, натрия магния, растворённые в воде, в некоторых случаях, при небольшой дозировке могут быть полезны для рыб, улучшая пищеварение и обмен веществ.
Итак, когда идеальные характеристики, которым должна удовлетворять наша система, определены, то можно приступать к последовательному созданию биологической системы фильтрации и аэрации воды.
1.1.3 Фильтрация
Для начала необходимо установить, что собой представляет процесс фильтрации. Фильтрация — это процесс, при котором твердые частицы из жидкой или газообразной среды удаляются с помощью фильтрующей среды, которая позволяет жидкости проходить через нее, задерживая при этом твердые частицы. В случае данной работы будут исследованы биологические процессы, однако в современной промышленности в большей степени используются химические процессы и физические барьеры.
Традиционные методы очистки воды, включающие химическую обработку, фильтрацию и дезинфекцию, требуют значительных ресурсов и приводят к загрязнению окружающей среды. Химические вещества, используемые для удаления взвешенных частиц, образуют осадок, который затем фильтруется с помощью производственных фильтров, изготовление которых также загрязняет атмосферу. Дезинфекция хлором приводит к его испарению. Альтернативные методы, такие как дистилляция и кипячение, менее эффективны и энергозатратны. Бытовые напорные фильтры, задерживая загрязнения в фильтроэлементе, также являются ресурсозатратными и неэкологичными из-за производства фильтров. Таким образом, большинство существующих способов фильтрации воды являются ресурсоемкими и оказывают негативное воздействие на окружающую среду.
1.1.4 Материал для биологической фильтрации
Для процесса фильтрации в нашей системе как природный материал был выбран мох. Выбор пал именно на него из-за особенностей строения листьев, поскольку у мхов листья на стеблях крайне малы и многочисленны, что позволило бы говорить о возможности мхов задерживать мелкие частички, а также очень плотное расположение многочисленных стеблей, которые переплетаясь образуют плотную моховую подушку. Более того отсутствие корней как таковых, а наличие коротких ризоидов, служащих в основном для закрепления, позволит нам удобно расположить мох в системе. Также место произрастания мхов — переувлажнённые места, что может говорить нам о неких фильтрационных свойствах мхов. Для проверки фильтрационных свойств мхов нужно провести эксперимент, в котором необходимо сравнить результаты фильтрации воды минимум двумя видами мхов, а также обычным фильтром.
1.1.4.1 Изучение морфологии мхов
Polytrichum — род мхов относящихся к семейству Polytrichaceae , в подклассе сфагновых мхов. Все представители подкласса сфагновых мхов — влаголюбивые растения, и побег сфагновых мхов обладает многочисленными особенностями, позволяющими растению удерживать и сохранять воду, к ним относятся:
— Ветви на верхушке стебля скрученные в плотную головку, часть ветвей каждого пучка свисает вдоль стебля, образуя своеобразную структуру, по которой передвигается вода;
— Наружная часть стебля главного побега и ветвей покрыта бесцветной кожицей — гиалодермисом, состоящим из крупных мертвых клеток, в стенках которых имеются отверстия — поры; в гиалодермисе ветвей встречаются водосборные ретортовидные клетки с отверстиями на концах;
— Пластинка листа состоит из клеток двух типов — узких живых фотосинтезирующих клеток, оболочка которых нередко пропитана красящими веществами, и широких мертвых водоносных клеток;
— Через поры гиалиновых клеток листьев и стебля, через отверстия ретортовидных клеток, а также по капиллярным промежуткам между свисающими ветвями и стеблем вода легко передается от одной части растения к другой.
1.1.4.2 Преимущества использования
Вследствие вышеперечисленных морфологических особенностей мха можно выявить ряд преимуществ, которыми обладает данное растение для использования в нашей системе.
Во-первых, мох распространен в калининградской области в частности, а также на территории западной России, поэтому использование их в системе будет относительно дешево.
Во-вторых, из-за строения стеблей и листьев, мох достаточно медленно пропускает воду, чтобы она успела впитаться в него.
В-третьих, Polytrichum commune, обладает множеством приспособлений для быстрого всасывания воды, как в стеблях, так и в листьях, что делает данный мох наиболее вероятным обладателем хороших фильтрационных свойств.
В-четвёртых, мох обладает структурами, которые позволяют направлять ток воды по всему растению, распределять по всем органам воду. Вследствие этого использование отдельных установок, которые бы распределяли воду по всей площади мха необязательно, при условии, что ток воды будет не слишком сильным.
1.1.4.3 Дополнительный материал и его свойства
Мой выбор дополнительного материала для фильтрационной части системы пал на песок, поскольку он хорошо задерживает загрязнения, отфильтровывая воду, а также может являться субстратом для произрастания мха, давая ему закрепиться, давая минеральные вещества для жизни.
Обычный песок, который можно видеть, к примеру, на пляжах не обладает минеральными веществами, но обладает крайне хорошими фильтрационными свойствами. Необходимо заметить, что через песок вода проходит с разной скоростью, что может сказываться на эффективности фильтра. Вследствие этого мы выбрали для своей системы песок средней зернистости, по нескольким параметрам: достаточная пропускная способность, чтобы нормально справляться с небольшим объёмом воды (около 400 миллилитров в минуту для слоя толщиной в 7–8 сантиметров, чего даже с избытком хватает для нашей системы), также хорошая степень очитки воды, которая должна нивелировать недостатки мохового фильтра, и наличие достаточного количества вкраплений земли для того, чтобы мох мог получать минеральные вещества.
Глава 2. Ступень фильтрации
2.1 Литературный обзор второй главы
2.1.1 Аэрация
Аэрация — процесс насыщения воды кислородом, путём его растворения, для улучшения качества воды, а также борьбы с вредными примесями. Аэрация применяется в нескольких областях, которые неразрывно связаны с качеством потребляемой воды: аэрация сточных вод в трубах, аэрация домашней питьевой воды, аэрация водоёмов, содержащих рыбу.
Аэрация сточных вод применяется для удаления тяжёлых металлов. Высокое содержание растворённого кислорода способствует окислению железа, что позволяет его осаждение и фильтрацию. В домашних условиях аэрация улучшает качество воды, нейтрализуя запахи и привкусы за счёт окисления сероводорода, аммиака и прочих соединений. В нашем исследовании акцент делается на аэрации для поддержания жизнедеятельности рыбы и предотвращения её мора из-за недостатка кислорода. Положительным эффектом также является нейтрализация тяжёлых металлов, что благоприятно влияет на здоровье рыбы и растений. Существует три метода аэрации: химическая, биологическая и механическая. В нашем исследовании рассматривается биологический метод, основанный на фотосинтезе растений и фитопланктона. Он широко используется в аквариумистике и для аэрации малых водоёмов. Преимущества этого метода включают экологичность, эффективность и низкие затраты. Основная проблема заключается в трудности содержания растений или фитопланктона.
2.1.2 Метод увеличения выработки кислорода посредством фотосинтеза
Общая реакция фотосинтеза: 2H 2 O + 6CO 2 → C 6 H 12 O 6 + 60 2.
Следуя принципу данной реакции, чтобы увеличить выработку кислорода можно заселить, во вторую часть системы какие-либо организмы или увеличить количество рыб в водоёме для увеличения выработки углекислого газа. Так же увеличить эффективность системы можно, увеличив постоянное поступление света, так как все этапы фотосинтеза напрямую зависят от скорость фотолиза воды, который проходит по формуле 2H₂O →O 2 + 4H + + 4e - , за счёт солнечной энергии. Кроме того на содержание растворённого кислорода в воде влияет температура воды, чем ниже температура воды, тем больше содержание кислорода.
В своей системе мы решили использовать именно второй метод из-за его простоты, а также того, что он практически не влияет на работу системы. Что же касается первого метода, то его применение не имеет смысла, так как наша биологическая системы должна быть проста в использовании, а так же не являться отдельной экосистемой самой по себе, температуру же воды регулировать достаточно сложно, что опять таки не даёт мне использовать данный метод. Для контроля уровня кислорода в воде можно использовать метод Винклера.
2.1.3 Материал для биологического фильтра
Чтобы начать искать биологические материалы, сначала следует установить характеристики, которым они обязательно должны удовлетворять. Чтобы не нарушать работу фильтрационной системы, а также не оказывать пагубного влияния на организмы, для которых предназначена отфильтрованная вода.
Часть системы, отвечающая за аэрацию, должна не загрязнять воду, иметь возможность быстро насыщать кислородом воду на протяжении долгого периода времени выполнять свои функции в полном объёме, не занимать много места и не требовать сильных затрат и приспособлений для её работы, а также не разрушаться со временем под действием воды.
Итак, ввиду вышеперечисленных обстоятельств, мы решили, что разумнее всего будет использовать в качестве второй части системы именно водоросли и водные травы.
2.1.3.1 Изучение морфологии водных растений
Aegagropila linnaei — растение, относящееся к отделу зелёные водоросли, классу ульфоциевые, порядку кладофоровые, которое представляет собой колонию одноклеточных зелёных водорослей. Водоросль данного вида обладает рядом характерных особенностей, которые могут повлиять на результаты фильтрации, а также обеспечивают аэрационные свойства водоросли при применение её в системе:
— Размер водоросли в среднем составляет 5–10 сантиметров. Рост происходит достаточно медленно, около 10 миллиметров за год в диаметре;
— Aegagropila linnaei размножается путём разделения слоевища, каждая часть которого развивается в отдельный организм.
— Водоросль данного вида имеет возможность передвигаться в толще воды, за счёт накопления излишек кислорода внутри водоросли, когда кислород пытается подняться вверх — тянет за собой и саму колонию, которая передвигается посредством течения. На время наступления тёмного времени суток весь кислород растворяется в воде и водоросль опускается на дно. Вследствие данного процесса Aegagropila linnaei получила свойство кратно увеличивать выработку кислорода при увеличении освещения;
— Aegagropila linnaei не обладает высокими требованиями к водоёму, в котором она обитает. Водоём можем быть как солёным, так и пресноводным, температура воды от 18 до 20 градусов. Кислотность среды для водоросли данного вида стандартна. Жёсткость воды может также варьироваться, как от воды средней жёсткости, так и до воды очень жёсткой, Aegagropila linnaei быстро и с большой вероятностью приспосабливается к новым условиям;
— Форма роста Aegagropila linnaei также отличается. Водоросль может существовать как отдельная шарообразная колонии, крепиться к субстрату, образуя фотосинтезирующую поверхность. Также водоросль может быть представлена свободно плавающими нитями.
2.1.3.2 Преимущества использования водных растений в системе
Выбор водоросли обоснован тем, что Aegagropila linnaei хорошо приспосабливается к условиям внешней среды. Более того Aegagropila linnaei, крайне распространена среди аквариумистов, поэтому при массовой закупке их крайне легко найти и возможно купить по приемлемым ценам. Также из-за своего строения Aegagropila linnaei фильтрует воду, пропуская её через себя. Среди распространённых водорослей Aegagropila linnaei наиболее сильно должна насыщать воду кислородом, благодаря своему образу жизни. Разнообразие форм жизни и вегетативный способ размножения, а также компактный размер предоставляют возможность использовать Aegagropila linnaei в системе фильтрации многими способами, экономя ресурсы и пространство. Возможность изменять количества вырабатываемого кислорода за счёт использования дополнительных источников света даёт возможность улучшения системы. И один из важнейших факторов — отсутствие необходимости в субстрате, что даёт опять таки больший простор в создании биологической системы фильтрации и аэрации воды.
2.1.3.3 Дополнительное приспособление
Для использования метода увеличения выработки кислорода посредством фотосинтеза мне необходимо кратно увеличить количество поступающего света. Такое увеличение можно осуществить посредством применения специальных ламп для выращивания растений, особенность которых заключается в том, что они излучают сразу три спектра света, они крайне яркие, а свет меньше рассредоточивается в пространстве, благодаря чему растение получает во много раз больше света. Учитывая, что в своей работе мы пытаемся не использовать внешние источники электричества, то отличным вариантом будет использование данных ламп с солнечными батареями.
Глава 3. Проектирование системы
3.1 Устройство системы
Основу нашей системы будут составлять два резервуара, соединённые между собой. В первый резервуар без крышки будет помещено дырчатое дно, отверстия в котором должны быть маленькими и многочисленными, для нормального прохождения воды через слои фильтра. Сам фильтр, располагающийся над дырчатым дном представляет собой два слоя. Первый слой — мох вида Polytrichum commune, закреплённый на втором слое, представляющим собой песок средней зернистости (зернистость должна быть минимальна для песка в котором содержаться минеральные вещества). Ширина второго слоя составляет около 6 сантиметров. Два вышеназванных резервуара будут соединены между собой с помощью наклонной поверхности. Во втором резервуаре будут находиться водоросли вида Aegagropila linnaei. Водоросли не могут закрывать друг другу свет, поэтому для размещения большего количества водорослей высота данного резервуара будет небольшой, на несколько сантиметров больше размера самих водорослей, ширина же и длина будут увеличены. Над вторым резервуаром будут находиться лампы, работающие на солнечной энергии.
В последней части установки, из которой вода непосредственно возвращается в водоём, установлена наклонная плоскость поднятая вверх. Для вытекания воды из системы край платформы находиться непосредственно на уровне конца фильтра, а именно около 1 сантиметра от песочного фильтра, чтобы не допустить попадания частичек песка в воду.
3.3 Принцип работы
Вода через трубку попадает в первую часть системы, где через мох и песок проходит во вторую часть, каплями падая на левый откос и скатываясь ко второй части системы, пока воды не будет достигать определённого уровня, где она и начнёт вытекать со скоростью установленной на трубке с подачей воды.
После попадания во вторую часть системы, находящуюся под первой, на водоросли попадет либо солнечный свет, либо искусственный свет, от лампы. В результате этого происходит фотосинтез и кислород поступает в воду, она насыщается кислородом и по правому откосу, по правилу сообщающихся сосудов переливается обратно в водоём. Работа системы завершена
4. Общий вывод
Применение биологических систем фильтрации и аэрации воды на практике возможно. Также существует возможность применения в фильтрационных и аэрационных системах природного материала, который при достаточной подготовке может конкурировать с привычными синтетическими материалами таких систем. Спроектированная же нами система биологической фильтрации и аэрации воды общего вида вероятно не обладает достаточными характеристиками, которые отвечали бы потребностям крупного водоёма с рыбой из-за условий изменяющейся внешней среды. Подводя итог, можно сказать, что, хотя такие системы и обладают существенными недостатками, но при должной подготовке и проектировании, массовое применение их стало бы возможным.
Литература:
1. Т. А. Боброва, И. М. Гуфельд Ботаника. Зоология: Учеб. пособие: Для школьников и абитуриентов. — М.: РИПОЛ-классик, 1999. — 634 с.
2. Н. Н. Воронцов, Л. Н. Сухорукова Эволюция органического мира. -М.: Просвещение, 1991. — 223 с.
3. Л. В. Кудряшов, Г. Б. Родионова, М. А. Гуленкова, В. Н. Козлова Ботаника с основами экологии. — М.: Просвещение, 1979. — 320 с.
4. Б. Е.Рябчиков Современные методы подготовки воды для промышленного и бытового использования. — М.: ДеЛи принт, 2004. — 328 с.
5. Б. Н. Фрог, А. П.Левченко Водоподготовка: Учебное пособие для вузов. — М.: МГУ, 1996. — 680 с.
6. Водяная чума // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона: в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПБ., 1890–1907.
7. Губанов И. А. 83. Elodea canadensis Michx. — Элодея канадская, или водяная чума // Иллюстрированный определитель растений Средней России: в 3 т. / И. А. Губанов, К. В. Киселёва, В. С. Новиков, В. Н. Тихомиров.19:48
8. Yokohama, Y., Nagao, M, Wakana. I. and Yoshida, T. 1994. Photosynthetic and respiratory activity in the inner part of spherical aggregation of «Marimo». Marimo Research 3:7–11. Yoshida, T., Nagao, M., Wakana, I. and Yokohama, Y. 1994
9. Федеральная служба по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды. Руководящий документ. Массовая концентрация растворённого кислорода в водах. Методика выполнения измерений и йодометрическим методом.
10. Алабастер, Дж. Критерии качества воды для пресноводных рыб / Дж. Алабастер, Р. Ллойд. — М.: Легкая и пищ. пром-ть, 1984. — 344 с
11. Erlag Paul Parey. Hamburg und berlinв. Кох, О. Банк, Г. Иенс Рыбоводство М.: Пищевая пром-сть, Берлин, 1976 Разведение и выращивание карповых, сиговых, лососевых, растительноядных рыб.
12. ГКЗ Глазовский комбикормовый завод. Содержание водоёмов для рыб.
13. Саратовский государственный аграрный университет имени Н. И. Вавилова. Авторы: Ельцов Т. В. Донец В. Показатели качества воды при разведении рыбы и требования, предъявляемые к ним.
