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.
- Проницаемость снижается на 10-20 дней, возможно, из-за физических изменений структуры почвы.
- Проницаемость увеличивается за счет растворения захваченного в почве воздуха в просачивающейся воде.
- 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]
- 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.
- Химические причины: изменение концентрации электролита или степени адсорбции натрия в водной фазе, что вызывает диспергирование и набухание частиц глины.
- Биологические причины: Обычно биоблог означает первое из следующего, в то время как биоблог в более широком смысле означает все следующее.
- 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.
- 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.
- 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 ]
- 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ «Септический биомат: определение, свойства» . InspectAPedia . Проверено 22 марта 2017 года .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ Дэвис, S .; Фэрбенкс, В .; Weisheit, H. (1973). «Пруды для молочных отходов эффективно самоуплотняющиеся». Сделки ASAE . 16 (1): 69–71. DOI : 10.13031 / 2013.37447 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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.
- ^ 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 .
- ^ «Восстановление и реабилитация колодцев» . Компания "Подземные воды Инжиниринг Лимитед" . Проверено 22 марта 2017 года .
- ^ 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 .
- ^ 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.
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .