Цветение водорослей в Мексиканском заливе поглощает большую часть кислорода в воде, что приводит к массивным «мертвым зонам», которые не могут поддерживать жизнь рыб или других диких животных. Виновник? Нитраты, стекающие с сельскохозяйственных полей через дренажные системы. Но нитраты - это только часть проблемы. Водоросли в пресноводных озерах и прудах процветают при воздействии другого загрязняющего вещества, фосфора, и достаточно малейшего количества, чтобы вызвать цветение.
Иллинойс и 11 других штатов, которые направляют большую часть воды в реку Миссисипи, поставили перед собой амбициозные цели по сокращению загрязнения нитратами и фосфором в Мексиканском заливе. Чтобы достичь этих целей, крупные точечные источники фосфора, такие как очистные сооружения, должны будут инвестировать в новую инфраструктуру. Но новое исследование предполагает, что фермеры также могут сыграть свою роль.
Лаура Кристиансон, доцент кафедры качества воды на факультете растениеводства Университета Иллинойса, является экспертом в области биореакторов на древесной щепе. Она проделала большую работу, чтобы продемонстрировать потенциал траншей, заполненных щепой, для удаления нитратов из дренажных вод на пахотных землях Иллинойса.
«Стружка и нитраты необходимы бактериям для завершения их жизненного цикла. Когда они потребляют нитраты, они удаляются из воды. Это биологический процесс», - объясняет Кристиансон.
В ходе недавнего исследования Кристиансон и несколько его коллег рассмотрели возможность удаления фосфора путем добавления специального «P-фильтра», предназначенного для улавливания загрязняющих веществ, полученных из удобрений. Команда протестировала два типа промышленных отходов в P-фильтрах: остатки обработки кислых шахтных дренажей (MDR) и стальной шлак. Фосфор связывается с такими элементами, как железо, кальций и алюминий, содержащиеся в этих продуктах, удаляя их из воды.
Вместо того, чтобы смешивать MDR или сталелитейный шлак с древесной щепой в одной большой машине для удаления нитратов и фосфора, команда разместила отдельный P-фильтр перед или после лабораторного биореактора. Они пропускали сточные воды из резервуара для аквакультуры через систему и измеряли количество нитратов и фосфора в различных точках по пути.
Удаление нитратов было постоянным, независимо от типа P-фильтра и от того, был ли P-фильтр расположен выше или ниже по потоку от биореактора. Но MDR был намного лучше в качестве фосфорного фильтра. «Он удалил от 80 до 90 процентов фосфора при нашей средней скорости потока», - говорит Кристиансон. «Это было очень, очень хорошо. Потрясающе».
Стальной шлак, с другой стороны, удаляет только около 25 процентов фосфора.«Но стальной шлак намного легче найти на Среднем Западе. И, согласно Стратегии сокращения потерь питательных веществ штата Иллинойс, мы пытаемся удалить только 45 процентов фосфора, который мы отправляем вниз по течению. Поскольку сельское хозяйство отвечает только за половину этого, 25 процентов было бы неплохо», - говорит Кристиансон.
Система явно показывает потенциал, но остается несколько неизвестных. Парные биореакторы и P-фильтры еще предстоит испытать в реальных условиях, хотя в Соединенных Штатах уже установлено несколько таких биореакторов. Возможно, что более важно, исследователи не имеют точного представления о том, сколько фосфора уходит с сельскохозяйственных полей в дренаж плитки.
«Мы подозреваем, что в наших плиточных дренажах в Иллинойсе не так много фосфора, но мы знаем, что он есть», - говорит она. «Сейчас мы получаем лучшее представление о том, сколько у нас фосфора.
Мы знаем, что фосфор легче перемещается с поверхностным стоком. Когда у вас эрозия почвы, а вода мутная и коричневая, обычно к почве прикрепляется фосфор. Простой способ подвести итог: если у вас плиточный дренаж, вы должны больше беспокоиться о потере нитратов в этой воде, но если у вас более холмистая земля, вы должны больше беспокоиться об эрозии почвы и потере фосфора».