Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Bioclogging или биологическое засорение является засорение порового пространства в почве путем микробной биомассы; их тела и их побочные продукты, такие как внеклеточное полимерное вещество (EPS). Микробная биомасса блокирует путь воды в поровое пространство, образуя определенную толщину непроницаемого слоя в почве, и это значительно снижает скорость инфильтрации воды.

Биологическое забивание наблюдается при непрерывной инфильтрации в водоемах в различных полевых условиях, таких как искусственные водоемы подпитки , перколяционная траншея , ирригационный канал, система очистки сточных вод и вкладыш свалки . Это также влияет на поток грунтовых вод в водоносном горизонте , например, на проницаемый реактивный барьер и повышенное микробиологическое воздействие на нефтеотдачу . В ситуации, когда необходима инфильтрация воды с соответствующей скоростью, биозагрязнение может быть проблематичным, и принимаются контрмеры, такие как регулярная сушка системы. В некоторых случаях можно использовать биоблокировку для создания непроницаемого слоя, чтобы минимизировать скорость инфильтрации.

Общее описание [ править ]

Изменение проницаемости со временем [ править ]

Биоблокирование наблюдается по снижению скорости инфильтрации. Снижение скорости инфильтрации при прудовой инфильтрации наблюдалось в 1940-х годах при изучении инфильтрации искусственного водоема подпитки и распределения воды на сельскохозяйственных почвах. [1] Когда грунт постоянно находится под водой, проницаемость или насыщенная гидравлическая проводимость изменяется в 3 этапа, что объясняется следующим образом.

  1. Проницаемость снижается на 10-20 дней, возможно, из-за физических изменений структуры почвы.
  2. Проницаемость увеличивается за счет растворения захваченного в почве воздуха в просачивающейся воде.
  3. Проницаемость снижается на 2–4 недели из-за разрушения агрегатов и биологического забивания пор почвы микробными клетками и продуктами их синтеза, слизью или полисахаридами.

Эти 3 этапа не обязательно различны в каждом поле биоблогов; когда вторая стадия не ясна, проницаемость просто продолжает снижаться.

Различные типы засорения [ править ]

Изменение проницаемости во времени наблюдается в различных полевых условиях. В зависимости от условий эксплуатации существуют различные причины изменения гидравлической проводимости , которые вкратце изложены ниже. [2]

  1. Физические причины: физическое засорение взвешенными твердыми частицами или физические изменения почвы, такие как разрушение агрегатной структуры. Растворение захваченного воздуха в почве в просачивающейся воде является физической причиной увеличения гидравлической проводимости.
  2. Химические причины: изменение концентрации электролита или степени адсорбции натрия в водной фазе, что вызывает диспергирование и набухание частиц глины.
  3. Биологические причины: Обычно биоблог означает первое из следующего, в то время как биоблог в более широком смысле означает все следующее.
    1. Биоблокирование телами микробных клеток (таких как бактерии , [3] [4] [5] [6] водоросли [7] и грибки [8] [9]] ) и их синтезируемыми побочными продуктами, такими как внеклеточное полимерное вещество (EPS) [10] (также называемые слизью), которые образуют биопленку [11] [12] [13] или скопления микроколоний [14] на частицах почвы, являются прямыми биологическими причинами снижения гидравлической проводимости.
    2. Улавливание пузырьков газа, таких как метан [15], производимых производящими метан микроорганизмами, забивает поры почвы и способствует снижению гидравлической проводимости. Поскольку газ также является побочным продуктом микробного происхождения, его также можно рассматривать как биоблокировку.
    3. Железные бактерии стимулируют отложение оксигидроксидов железа, что может вызвать закупоривание пор почвы. [16] Это косвенная биологическая причина снижения гидравлической проводимости.

Полевое наблюдение [ править ]

Под затопленным проникновением [ править ]

Полевая проблема и меры противодействия [ править ]

Биоблокировка наблюдается при непрерывной инфильтрации в водоемах в таких местах, как искусственные пруды подпитки [17] и перколяционная траншея . [18] Снижение скорости инфильтрации из-за биологического забивания на инфильтрирующей поверхности снижает эффективность таких систем. Чтобы свести к минимуму эффект биологического забивания, может потребоваться предварительная обработка воды для уменьшения содержания взвешенных твердых частиц , питательных веществ и органического углерода. Регулярная сушка системы и физическое удаление засоряющего слоя также могут быть эффективными мерами противодействия. Даже при такой осторожной работе, биоблокировка все еще может произойти из-за микробиологического роста на инфильтрирующей поверхности.

Септические дренажные поля также подвержены биологическому забиванию, поскольку богатые питательными веществами сточные воды текут непрерывно. [19] [20] bioclogging материал в септике иногда называют Biomat. [21] Предварительная обработка воды фильтрацией или снижение нагрузки на систему может отсрочить отказ системы из-за биоблокировки. Система медленной фильтрации песка также страдает от биозагрязнения. [22] Помимо упомянутых выше контрмер, очистка или обратная промывка песка может применяться для удаления биопленки и восстановления проницаемости песка.

Биозабор в реках может повлиять на пополнение водоносных горизонтов, особенно в засушливых регионах, где реки с истощением являются обычным явлением. [23]

Пособие [ править ]

В некоторых случаях биоблог может иметь положительный эффект. Например, в прудах стабилизации молочных отходов, используемых для очистки сточных вод молочной фермы, биозагрязнение эффективно закрывает дно пруда. [24] Водоросли и бактерии могут быть инокулированы, чтобы способствовать биоблокированию в ирригационном канале для контроля просачивания. [25]

Биоблокировка также полезна для вкладышей свалок, таких как уплотненные глиняные вкладыши. Глиняные футеровки обычно применяются на свалках, чтобы свести к минимуму загрязнение окружающей почвенной среды сточными водами свалок . Гидравлическая проводимость глиняных футеровок становится ниже первоначального значения из-за биологического забивания, вызванного микроорганизмами в фильтрах и поровых пространствах глины. [26] [27] Биоблокирование в настоящее время изучается для применения в геотехнической инженерии . [28]

В водоносном горизонте [ править ]

Забор воды из скважины [ править ]

Биологическое забивание может наблюдаться, когда вода забирается из водоносного горизонта (ниже уровня грунтовых вод) через колодец . [29] За месяцы и годы непрерывной эксплуатации водяных скважин они могут постепенно снижаться в производительности из-за биозагрязнения или других механизмов засорения. [30]

Биовосстановление [ править ]

Образование биопленок полезно при биоремедиации [31] биологически разлагаемых загрязнений подземных вод . Проницаемый реактивный барьер [32] формируется для сдерживания потока грунтовых вод путем биоблокировки, а также для уменьшения загрязнения микробами. [33] Следует тщательно проанализировать поток загрязняющих веществ, поскольку предпочтительный путь потока в преграде может снизить эффективность восстановления. [34]

Добыча нефти [ править ]

При добыче нефти применяется метод увеличения нефтеотдачи для увеличения количества нефти, которая должна быть извлечена из нефтяного месторождения. Закачиваемая вода вытесняет нефть в пласте, которая транспортируется к добывающим скважинам. Поскольку коллектор неоднороден по проницаемости, закачиваемая вода имеет тенденцию проходить через зону с высокой проницаемостью и не проходит через зону, в которой остается нефть. В этой ситуации может быть использован метод модификации бактериального профиля [35], который вводит бактерии в зону с высокой проницаемостью, чтобы способствовать биоблокированию. Это разновидность микробного увеличения нефтеотдачи .

См. Также [ править ]

  • Биопленка
  • Гидравлическая проводимость
  • Лайнер для свалки
  • Повышение нефтеотдачи с помощью микробов
  • Септик
  • Медленный песочный фильтр

Ссылки [ править ]

  1. Перейти ↑ Allison, LE (1947). «Влияние микроорганизмов на проницаемость почвы при длительном погружении». Почвоведение . 63 (6): 439–450. Bibcode : 1947SoilS..63..439A . DOI : 10.1097 / 00010694-194706000-00003 . S2CID  97693977 .
  2. ^ Baveye, P .; Vandevivere, P .; Хойл, BL; ДеЛео, ПК; де Лосада, Д.С. (2006). «Воздействие на окружающую среду и механизмы биологического засорения насыщенных грунтов и водоносных горизонтов» ( PDF ) . Критические обзоры в области науки об окружающей среде и технологий . 28 (2): 123–191. DOI : 10.1080 / 10643389891254197 .
  3. ^ Гупта, RP; Свартцендрубер, Д. (1962). «Снижение гидравлической проводимости кварцевого песка, связанное с потоком». Журнал Американского общества почвоведов . 26 (1): 6–10. Bibcode : 1962SSASJ..26 .... 6G . DOI : 10,2136 / sssaj1962.03615995002600010003x .
  4. ^ Франкенбергер, WT; Трое, Франция; Dumenil, LC (1979). «Бактериальные эффекты на гидравлическую проводимость почв». Журнал Американского общества почвоведов . 43 (2): 333–338. Bibcode : 1979SSASJ..43..333F . DOI : 10,2136 / sssaj1979.03615995004300020019x .
  5. ^ Vandevivere, P .; Бавай, П. (1992). «Снижение насыщенной гидравлической проводимости, вызванное аэробными бактериями в песчаных колоннах» ( PDF ) . Журнал Американского общества почвоведов . 56 (1): 1–13. Bibcode : 1992SSASJ..56 .... 1V . DOI : 10,2136 / sssaj1992.03615995005600010001x .
  6. ^ Ся, L .; Чжэн, X .; Shao, H .; Xin, J .; Солнце, З .; Ван, Л. (2016). «Влияние бактериальных клеток и двух типов внеклеточных полимеров на биоблокировку песчаных столбов». Журнал гидрологии . 535 : 293–300. Bibcode : 2016JHyd..535..293X . DOI : 10.1016 / j.jhydrol.2016.01.075 .
  7. ^ Gette-Bouvarot, M .; Mermillod-Blondin, F .; Angulo-Jaramillo, R .; Delolme, C .; Lemoine, D .; Lassabatere, L .; Loizeau, S .; Волатье, Л. (2014). «Сочетание гидравлических и биологических измерений подчеркивает ключевое влияние водорослевой биопленки на производительность инфильтрационного бассейна» ( PDF ) . Экогидрология . 7 (3): 950–964. DOI : 10.1002 / eco.1421 .
  8. ^ Секи, К .; Миядзаки, Т .; Накано, М. (1996). «Снижение гидравлической проводимости из-за микробного воздействия» ( PDF ) . Труды Японского общества инженеров ирригации, дренажа и мелиорации . 181 : 137–144. DOI : 10,11408 / jsidre1965.1996.137 .
  9. ^ Секи, К .; Миядзаки, Т .; Накано, М. (1998). «Влияние микроорганизмов на снижение гидравлической проводимости инфильтрации» (PDF) . Европейский журнал почвоведения . 49 (2): 231–236. DOI : 10.1046 / j.1365-2389.1998.00152.x .
  10. ^ Jiang, Y .; Мацумото, С. (1995). «Изменение микроструктуры забитого грунта при очистке почвенных сточных вод при длительном погружении». Почвоведение и питание растений . 41 (2): 207–213. DOI : 10.1080 / 00380768.1995.10419577 .
  11. ^ Тейлор, SW; Милли, PCD; Яффе, PR (1990). «Рост биопленок и связанные с ним изменения физических свойств пористой среды: 2. Проницаемость». Исследование водных ресурсов . 26 (9): 2161–2169. Bibcode : 1990WRR .... 26.2161T . DOI : 10.1029 / WR026i009p02161 .
  12. ^ Чжао, L .; Zhu, W .; Тонг, В. (2009). «Процессы засорения, вызванные ростом биопленки и накоплением органических частиц в заболоченных территориях, построенных в лабораторных условиях с вертикальным потоком» ( PDF ) . Журнал наук об окружающей среде . 21 (6): 750–757. DOI : 10.1016 / S1001-0742 (08) 62336-0 . PMID 19803078 .  
  13. ^ Ким, J .; Choi, H .; Пачепский, Ю.А. (2010). «Морфология биопленок в связи с засорением пористой среды» ( PDF ) . Исследования воды . 44 (4): 1193–1201. DOI : 10.1016 / j.watres.2009.05.049 . PMID 19604533 .  
  14. ^ Секи, К .; Миядзаки, Т. (2001). «Математическая модель биологического засорения однородной пористой среды» (PDF) . Исследование водных ресурсов . 37 (12): 2995–2999. Bibcode : 2001WRR .... 37.2995S . DOI : 10.1029 / 2001WR000395 .
  15. ^ Рейнольдс, WD; Браун, DA; Матур, ИП; Оверенд, Р.П. (1992). «Влияние газонакопления на гидравлическую проводимость торфа». Почвоведение . 153 (5): 397–408. Bibcode : 1992SoilS.153..397R . DOI : 10.1097 / 00010694-199205000-00007 . S2CID 93225879 . 
  16. ^ Houot, S .; Бертелин, Дж. (1992). «Субмикроскопические исследования залежей железа в полевых дренажах: формирование и эволюция». Геодермия . 52 (3–4): 209–222. Bibcode : 1992Geode..52..209H . DOI : 10.1016 / 0016-7061 (92) 90037-8 .
  17. ^ Bouwer, H. (2002). «Искусственное питание подземных вод: гидрогеология и инженерия» (PDF) . Гидрогеологический журнал . 10 (1): 121–142. Bibcode : 2002HydJ ... 10..121B . DOI : 10.1007 / s10040-001-0182-4 . S2CID 38711629 .  
  18. ^ Furumai, H .; Джинадаса, HKPK; Мураками, М .; Накадзима, Ф .; Арял, РК (2005). «Модельное описание функций хранения и инфильтрации инфильтрационных сооружений для анализа городских стоков с помощью распределенной модели» ( PDF ) . Водные науки и технологии . 52 (5): 53–60. DOI : 10,2166 / wst.2005.0108 . PMID 16248180 .  
  19. ^ Кристиансен, Р. (1981). «Траншеи песочно-фильтровальные для очистки стоков септиков: I. Механизм засорения и физическая среда почвы». Журнал качества окружающей среды . 10 (3): 353–357. DOI : 10,2134 / jeq1981.00472425001000030020x .
  20. ^ Nieć, J .; Спыхала, М .; Завадски, П. (2016). «Новый подход к моделированию засорения песочного фильтра стоками септика» (PDF) . Журнал экологической инженерии . 17 (2): 97–107. DOI : 10.12911 / 22998993/62296 .
  21. ^ «Септический биомат: определение, свойства» . InspectAPedia . Проверено 22 марта 2017 года .
  22. ^ Mauclaire, L .; Schürmann, A .; Thullner, M .; Гамметр, S .; Зейер, Дж. (2004). «Медленная фильтрация песка на водоочистной станции: биологические параметры, ответственные за засорение». Журнал «Водоснабжение: исследования и технологии» . 53 (2): 93–108. DOI : 10,2166 / aqua.2004.0009 .
  23. ^ Новичок, ME; Хаббард, СС; Fleckenstein, JH; Maier, U .; Schmidt, C .; Thullner, M .; Ульрих, С .; липо, N .; Рубин Ю. (2016). «Моделирование эффектов биоблоков на динамическую проницаемость и инфильтрацию русла реки». Исследование водных ресурсов . 52 (4): 2883–2900. Bibcode : 2016WRR .... 52.2883N . DOI : 10.1002 / 2015WR018351 .
  24. ^ Дэвис, S .; Фэрбенкс, В .; Weisheit, H. (1973). «Пруды для молочных отходов эффективно самоуплотняющиеся». Сделки ASAE . 16 (1): 69–71. DOI : 10.13031 / 2013.37447 .
  25. ^ Рагуза, SR; de Zoysa, DS; Ренгасами, П. (1994). «Влияние микроорганизмов, засоления и мутности на гидравлическую проводимость почвы оросительного канала». Ирригационная наука . 15 (4): 159–166. DOI : 10.1007 / BF00193683 . S2CID 35184810 . 
  26. ^ Камон, М .; Zhang, H .; Кацуми, Т. (2002). «Редокс-эффект на гидравлическую проводимость глиняной футеровки» ( PDF ) . Почвы и фундаменты . 42 (6): 79–91. DOI : 10,3208 / sandf.42.6_79 .
  27. ^ Тан, Q .; Wang, HY; Chen, H .; Li, P .; Тан, XW; Кацуми, Т. (2015). «Долговременная гидравлическая проводимость уплотненной глины, пропитанной фильтратами со свалок» ( PDF ) . Специальное издание Японского геотехнического общества . 2 (53): 1845–1848. DOI : 10,3208 / jgssp.CHN-52 .
  28. ^ Иванов, В .; Стабников, В. (2017). «Глава 8: Биологическое заблуждение и биологические почвы». Строительная биотехнология: биогеохимия, микробиология и биотехнология строительных материалов и процессов . Нью-Йорк: Спрингер. С. 139–178. ISBN 978-9811014444.
  29. ^ ван Бик, CGEM; ван дер Коой, Д. (1982). «Сульфатредуцирующие бактерии в грунтовых водах из-за засорения и незаполнения неглубоких колодцев в речном регионе Нидерландов». Грунтовые воды . 20 (3): 298–302. DOI : 10.1111 / j.1745-6584.1982.tb01350.x .
  30. ^ «Восстановление и реабилитация колодцев» . Компания "Подземные воды Инжиниринг Лимитед" . Проверено 22 марта 2017 года .
  31. ^ Ли, доктор медицины; Томас, JM; Борден, RC; Бедиент, ПБ; Ward, CH; Уилсон, Дж. Т. (1998). «Биовосстановление водоносных горизонтов, загрязненных органическими соединениями» ( PDF ) . Критический обзор экологического контроля . 18 (1): 29–89. DOI : 10.1080 / 10643388809388342 .
  32. ^ Naftz, D .; Моррисон, SJ; Фуллер, СС; Дэвис, Дж. А. (2002). Справочник по восстановлению подземных вод с использованием проницаемых реактивных барьеров: приложения к радионуклидам, микроэлементам и питательным веществам . Кембридж, Массачусетс: Academic Press. ISBN 978-0125135634.
  33. ^ Komlos, J .; Cunningham, AB; Кампер, АК; Шарп, Р.Р. (2004). «Биопленочные барьеры для удержания и разложения растворенного трихолорэтилена». Экологические процессы . 23 (1): 69–77. DOI : 10.1002 / ep.10003 .
  34. ^ Секи, К .; Thullner, M .; Hanada, J .; Миядзаки, Т. (2006). «Умеренное биоблокирование, ведущее к предпочтительным путям потока в биобарьерах» (PDF) . Мониторинг и восстановление грунтовых вод . 26 (3): 68–76. DOI : 10.1111 / j.1745-6592.2006.00086.x .
  35. ^ Лаппан, RE; Фоглер, HS (1996). «Снижение проницаемости пористой среды из-за роста in situ leuconostoc mesenteroides и продукции декстрана». Биотехнология и биоинженерия . 50 (1): 6–15. CiteSeerX 10.1.1.1017.5978 . DOI : 10.1002 / (SICI) 1097-0290 (19960405) 50: 1 <6 :: AID-BIT2> 3.0.CO; 2-L . PMID 18626894 .