Биореакторы — это системы пассивной фильтрации, в которых используется бактериальный процесс, известный как денитрификация, для удаления от 25 до 45 процентов нитратов в воде, стекающей с сельскохозяйственных полей. Исследования и установка биореакторов ускорились за последнее десятилетие, но доцент кафедры качества воды Университета Иллинойса Лаура Кристиансон и ее коллеги призывают перейти от экспериментальной концепции к крупномасштабному развертыванию.
«Биореакторы — одна из самых эффективных передовых технологий, но до сих пор они не применялись в больших масштабах», — говорит Кристиансон.
Конструкции различаются, но типичное устройство для поля площадью от 40 до 80 акров представляет собой большую яму (100 x 20 футов), расположенную прямо перед тем местом, где дренажные трубы впадают в канавы или ручьи. Яма заполнена богатым углеродом органическим материалом: обычно древесной стружкой, но иногда и кукурузными початками, биоуглями или другими веществами. Денитрифицирующие бактерии живут в органическом материале и используют его углерод в качестве источника энергии для преобразования нитратов в воде в безвредный газообразный азот, который составляет 78 процентов нашей атмосферы.
Преимущество биореакторов как стратегии управления азотом заключается в их соотношении затрат и выгод.
Установка биореакторов может стоить примерно 10 000 долларов, но примерно половина этой стоимости доступна через Службу охраны природных ресурсов Министерства сельского хозяйства США. Важно отметить, что биореакторы обычно работают в течение 10 лет, прежде чем потребуется замена древесной щепы.
«Это большие первоначальные затраты по сравнению с покровной культурой, но тогда у вас все готово на 10 лет», — отмечает Кристиансон.
Кристиансон подготовил специальный выпуск журнала «Качество окружающей среды», посвященный биореакторам.
Пятнадцать статей в номере обобщают современное состояние технологии биореакторов, подтверждая, что биореакторы могут быть эффективной частью комплексного подхода к управлению нитратами.
Важной составляющей эффективности биореактора является дизайн.
По словам Кристиансона и других экспертов, подготовивших специальный выпуск, скорость потока может существенно повлиять на эффективность биореакторов. В периоды низкого расхода вода может задерживаться в биореакторах слишком долго, создавая условия для различных бактерий, которые создают вредный сероводород. Аналогичным образом, в периоды высокого расхода вода может проходить слишком быстро для эффективного удаления азота.
«Плиточные дренажные системы никогда не текут с постоянной скоростью», — объясняет Кристиансон. «Биореакторы должны быть спроектированы так, чтобы оптимизировать время удерживания и максимизировать удаление нитратов без нежелательных побочных продуктов."
Температурные и сезонные изменения также влияют на работу биореакторов.
«Критический период для потери нитратов — ранняя весна, прежде чем растения начнут расти и поглощать азот», — говорит Кристиансон. "При таянии снега через биореактор проходит значительное количество воды, в зависимости от того, где вы находитесь. А поскольку талые воды и дренаж ранней весной более прохладные, бактерии не так эффективны."
Кристиансон и ее коллеги призывают к более масштабным исследованиям, чтобы оптимизировать дизайн для набора условий, уникальных для каждой области.
"Вот где меня интересуют исследования: создание лучших дизайнов. Но, с другой стороны, мы не хотим настолько продвигаться в дизайне, чтобы он становился действительно сложным. «Красота в простоте траншеи, полной щепы», — говорит Кристиансон.
Статья, посвященная специальному выпуску «Продвигая денитрифицирующие биореакторы за пределы доказательства концепции: введение в специальный раздел», публикуется в Journal of Environmental Quality вместе с 14 дополнительными статьями по этой теме.