Преимущества и недостатки технологии лэндфарминга (распределения загрязнённой почвы по поверхности земли с последующей культивацией)

Преимущества	Недостатки
Технология относительно проста для проектирования и осуществления.	Очень трудно достичь снижения концентраций загрязнителей более чем на 95% и их абсолютных концентраций меньше 0.1 ppm.
Короткие времена обработки (обычно от 6 месяцев до 2 лет в оптимальных условиях)	Технология может оказаться неэффективной для высоких концентраций загрязнителей (больше 50 000 ppm для суммы углеводородов нефти)
Низкая стоимость обработки: $30-60/тонну загрязнённой почвы	Присутствие значительных концентраций тяжёлых металлов (больше 2500 ppm) может ингибировать рост микробов
Технология эффективна для удаления органических соединений с малыми скоростями биоразложения	В ходе обработки летучие компоненты стремятся в большей степени испариться, чем разложиться под действием микробов
	Обработка требует большой по площади территории
	Образование пыли и генерирование вредных испарений в ходе лэндфарм аэрации может привести к проблемам качества воздуха.
	Может потребоваться подстилающий слой, если вымывание из распределённой по земле выкопанной почвы вызывает озабоченность

Иногда для ускорения биоразложения загрязнений прибегают к усиленному лэндфармингу: смешивают извлечённую почву, загрязнённые илы или осадки с микробной средой (вводят в почву специальные штаммы бактерий). Эта микробная среда усиливает биологическое разложение загрязнителей.

Пример применения лэндфарминга

В работе [16] описан пример биологической очистки почвы, загрязнённой жидкостями для пропитки древесины, которые попадали в течение десятилетий на территориях четырёх предприятий в штате Монтана, на которых производилась обработка древесины. Эти территории входят в список Суперфонда. Очистку проводили на технически оборудованных участках по технологии, использующей землю и культивацию извлечённой почвы (лендфарминг). Такой технически подготовленный участок здоровой земли для обработки загрязнённой почвы называют ячейкой для обработки земли (ЯОЗ). Первый участок был построен в 1989 г, а четвёртый в 1996 г. Результаты показывают, что цели очистки почвы от пентахлорфенола (РСР) и канцерогенных полиароматических углеводородов (ПАУ), которые вызывали главную озабоченность, на всех 4 участках были достигнуты.

ЯОЗ, использованные в этой работе, обрабатывали объёмы загрязненной почвы от 14500 м³ до 160000 м³. На каждом участке загрязнённую почву извлекали экскаватором и помещали в ЯОЗ, где её поливали, вспахивали и удобряли в течение сезона роста. ЯОЗ имела прямоугольную форму и размеры от 0.4 га до 5.7 га и «принимала» слой загрязнённой почвы толщиной от 15 см до 215 см. Чтобы сделать влажность почвы оптимальной и предотвратить образование из неё пыли, были установлены вращающиеся на оси дождевальные установки. Оптимальной была найдена влажность, составлявшая 70-80% от полевой ёмкости почвы по воде (содержание воды 12-15 %). Ранее было показано, что содержание воды, возможно, является самым важным лимитирующим фактором в биовосстановлении почвы, загрязнённой ПАУ. Чтобы увеличить скорость потребления кислорода естественными микроорганизмами, населяющими почву, и обеспечить повторяющееся перемешивание зоны обработки, ЯОЗ ежегодно вспахивали в начале всех сезонов роста (сезон роста в Монтане продолжается примерно 90-120 дней между июнем и сентябрём).

Азот и фосфор в форме сельскохозяйственного удобрения вводили в каждую ЯОЗ, чтобы стимулировать функционирование микроорганизмов. Расчёты количеств азота и фосфора, которые было необходимо внести в каждую ЯОЗ, основывались на содержании в почве органического углерода, определяемого при анализе образцов.

На двух участках вводили в почву жидкие удобрения с помощью системы орошения, а на двух других – вносили гранулированное удобрение с помощью распределителя и культиватора.

Необходимые уровни очистки почвы от совместного присутствия РАН и РСР достигались в течение 5-6 лет. Время достижения уровней восстановления варьировало в зависимости от типа жидкостей, применявшихся для обработки древесины, а также от характеристик очищаемого участка: типа почвы, погоды, и параметров действующей системы ЯОЗ. Стоимость обработки составляла $20  $32.5 на 1 м³ почвы.

Обработка почвы в бионасыпях

Из выкопанной экскаватором загрязнённой почвы образуют статическую насыпь (большую кучу). Термин «статическая» означает, что механического переворачивания или вспашки выкопанной почвы не производят. Питательные вещества вводят в загрязнённую почву вместе с водой при поливе насыпи или по сети каналов, устроенных внутри неё. Условия внутри насыпи отслеживают и оптимизируют с помощью подачи воздуха и полива. Принципиальное различие между системами, применяющими бионасыпи и применяющими валки, состоит в использовании активной аэрации и принудительного полива. Техническое обслуживание бионасыпей тесно связано с техникой аэрации статических насыпей, применяемой при компостировании отходов. Пока ещё передовые методы, например, контроль за процессом с помощью обратной связи, основанной на измерении температуры, влажности и/или количества О₂, при обработке почвы используют не столь часто, как при компостировании отходов в статической куче (см. Рисунок 7). Технология компостирования отходов имеет продолжительную историю, и многие достижения этой технологии будут постепенно использоваться в технологии обработки почвы.

Строительство бионасыпи обычно включает установку датчиков внутри насыпи для отслеживания критических параметров. Наиболее существенными инструментами мониторинга «состояния» насыпи являются трубки для отбора газовой фазы внутри насыпи и термопары для измерения температуры.

После того как насыпь сформирована, её следует укрыть. Покрытие служит для защиты подвергаемой биоразложению почвы от разнообразных воздействий с целью:

• сохранить влажность;

• сохранить тепло;

• предотвратить избыточное поступление воды от внезапного дождя;

• предотвратить образование пыли из насыпи в ветреную погоду;

• предотвратить цементирование верхнего слоя почвы при увлажнении и высыхании.

Бионасыпь следует укрыть пластиковым полотном, которое удерживается на ней каким-либо дешёвым способом: старыми шинами, мешками с песком, или тяжёлыми сетями.

Конструкция бионасыпи должна предотвращать её избыточный внутренний разогрев. Биологическое разложение загрязнителей высвобождает то же количество теплоты, что и реакция их горения, но с меньшей скоростью. Выделяющаяся теплота приводит к повышению температуры бионасыпи в ходе операции очищения почвы. Небольшой подъём температуры желателен для усиления микробиологической скорости разложения, но избыточного увеличения температуры следует избегать, поскольку оно приводит к падению активности микробов после достижения оптимальной температуры. Обычно температуру поддерживают в интервале от 20 до 40°C. Схема устройства бионасыпи приведена на Рис. 7.

Рис. 7. Устройство бионасыпи

Практический пример использования бионасыпи – это очистка почв на территории бывшего завода по очистке природного газа в Канадской провинции Альберта [17].

Состояние поверхностного слоя почвы, загрязнённого в ходе обработки природного газа, и выбор технологии его очистки в достаточной степени ранее не исследовались. В 1995 г. учёные из Исследовательского центра «Энергия и Окружающая среда» университета Северной Дакоты начали исследование проблем, связанных со спецификой участка, и технологий очистки почвы, загрязнённой аминами, побочными продуктами разложения аминов и солями, на остановленной газовой фабрике вблизи Калгари в Альберте. Следует заметить, что наиболее распространённым методом очистки природного газа от серосодержащих соединений (сероводорода и меркаптанов, тиофена и других), является его обработка в скрубберах водными растворами этаноламина или других алканоламинов. Предварительное исследование биоразложения аминов, а также их относительно малая подвижность, указывали, что биологическая очистка могла быть подходящим способом обработки указанного участка земли.

На основании этих открытий была спроектирована, а затем построена бионасыпь, снабжённая системами аэрации, орошения и сбора промывных вод. После пяти месяцев активной биообработки и восьми месяцев вымывания, применённый комплекс мер удалил все обнаруженные амины и значительные количества органических и неорганических соединений азота, солей и органического углерода.

Оценка состояния окружающей среды, проведённая в 1992 г, была частью процесса выведения из строя завода по обработке газа. Был обнаружен слой почвы, загрязнённый илом на глубине 2-3 метра на территории расположения бывших ям для захоронения ила, содержащего амины. При оценке потенциала различных технологий биоразложения важными факторами служили климатические и геологические особенности участка. Климат в этом регионе варьирует от полузасушливого до влажного, со средними ежегодными осадками 488 мм в год. Средняя температура обычно ниже 10 C в течение 8-9 месяцев, с периодом без мороза 75-90 дней.

Рассматривались и другие возможности очистки участка, но оказалось, что они намного дороже, включая захоронение загрязненной почвы или её обжиг с последующим промыванием практически безжизненной почвы. Строительство бионасыпи (Рисунок 1) было завершено в течение 8 дней в июле 1998 г. Построенная замкнутая ячейка имела 40 метров в длину, 10 метров в ширину и глубину 1.5 метра. Над прокладкой из усиленного полиэтилена толщиной 25 мм, лежащей на дне ячейки, находился тонкий слой измельчённого гравия, покрытый фильтрующей тканью. Покрывающий слой почвы насыпали в виде холма и закрыли ещё одной прокладкой.

Примерно 450 м³ почвы, предназначенной для обработки, размещали внутри построенной полости. В почву были внесены добавки: 2.58 м³ хлорида кальция с целью увеличить проницаемость почвы, а также 2036 кг жидкого удобрения, имеющего состав 10-34-00 (проценты азота-фосфора-калия), с целью увеличения микробиологической населённости и последующей скорости биоразложения. В качестве «объёмного» реагента для увеличения пористости и проницаемости бионасыпи внутрь полости были внесены 50 кубических метров соломы. Вентилятор, расположенный снаружи полости, подавал воздух через один 100 мм ввод из перфорированного поливинилхлорида и по 4 расположенным на равном удалении каналам диаметром 50 мм для воздушного потока, простиравшимся на всю длину полости, и обеспечивал аэрацию системы. Микробная активность усиливалась подачей воды через систему орошения, включавшую пять полупроницаемых шлангов, протянутых на всю длину полости и питаемых от внешнего источника пресной воды. Частота подачи и количество воды определялись еженедельными измерениями влажности почвы. Образующиеся избыточные солёные промывные воды собирались в отстойник, размещённый непосредственно под слоем измельчённого гравия, и временно хранились в упрочнённом тэнке снаружи, и, в конечном счёте, закачивались в инжекционную скважину на месте.

После обработки в течение примерно трёх месяцев в 1998 г. и в течение двух месяцев в 1999 г. данные анализа показали, что биоразложение содержащих амины материалов было полностью завершено. Было решено, что оставшийся материал следует подвергнуть промывке, но с биодеградацией можно закончить. С этого момента система начала работать в режиме вымывания и продолжала функционировать в этом режиме в оставшиеся два месяца обработки в 1999 г. и в течение четырёх месяцев в 2000 г. За время функционирования в режиме вымывания в бионасыпь были введены  386 м³ воды (приблизительно 3 поровых объёма).

Рис. 8. Конструкция бионасыпи для удаления аминов из почвы [17]

Отбор образцов производили с самого начала проекта и каждые два месяца во время активных периодов обработки. Ключевыми почвенными параметрами, которые использовались для оценки общей активности бионасыпи, были общий азот по Кьельдалю (ОАК – измеряет сумму аммиачного и органического азота), аммонийный азот (NH₃ – N), нитратный плюс нитритный азот (NO_x – N) и общий органический углерод. Данные, основанные на результатах анализа 20 образцов, отобранных в ходе эксперимента, показали, что ОАК и концентрация общего органического азота уменьшились, в то же время концентрации аммиака и NOx-N (побочные продукты разложения алканоламинов и других органических соединений азота) увеличились. Во время финальной части исследования, однако, содержание ОАК и общего органического углерода оставались стабильными, и в то же время концентрации соединений аммония и (нитратного + нитритного) азота значительно снизились, указывая, таким образом, что биодеградация алканоламинов и образование продуктов термического окисления были завершены. Окончательный анализ показал, что после обработки концентрации алканоламинов снизились от начальной концентрации равной 15 000 мг / кг до уровней ниже пределов обнаружения. Оцениваемая стоимость обработки загрязнённой почвы в этом месте с применением бионасыпи была $45 на кубический метр, исключая инженерные и аналитические расходы. Исследователи полагают, что эти расходы можно снизить далее при использовании больших масштабов бионасыпи и если не применять ограничительных подстилающих слоёв.

Обработка загрязнённой почвы в биореакторах

Биологическая обработка взвеси, образованной из почвы и воды (Slurry-phase biological treatment), состоит в контролируемой обработке выкопанной загрязнённой почвы в биореакторе. Эта почва сначала обрабатывается физически – от неё отделяют камни и булыжники. Затем почву смешивают с водой до образования взвеси (суспензии) с определённой заранее консистенцией, которая зависит от концентрации загрязнителей, скорости биоразложения и физической природы почвы. В некоторых вариантах процесса почву иногда предварительно промывают для концентрирования загрязнений. Отделившийся в этой операции чистый песок можно отбросить, а оставшиеся загрязнённые тонкие фракции (глина, пыль и гуминовые вещества) и промывная вода направляются на биологическую обработку. Обычно взвесь содержит от 10 до 40% по весу твёрдых частиц.

Почву в виде суспензии переводят в реактор и смешивают с питательными веществами. Внутри реактора ведут контроль за температурой, рН (если есть необходимость добавляют в реактор кислоту или щёлочь), за элементами питания и концентрацией кислорода. Оптимальные параметры должны обеспечить максимальные скорости разложения загрязнения. Для этой цели используют либо населяющие обрабатываемую почву природные микроорганизмы, либо специально введённые в реактор штаммы культур.

После завершения биоразложения загрязнений взвесь выгружают из реактора и обезвоживают. Обезвоживание производят с помощью коагуляторов, пресс фильтров, вакуум – фильтров, песчаных осушающих слоёв, или центрифуги. Принципиальная схема обработки почвы в биореакторах (аэротэнках) с взвешенной фазой представлена на Рис. 9

Рис. 9. Процесс биовосстановления загрязнённой почвы во взвешенной фазе в аэротэнках .

Области применения

Биореакторы с взвешенной фазой успешно применялись для очистки почв и осадков, загрязнённых взрывчатыми веществами, углеводородами нефти, нефтепродуктами, растворителями, пестицидами, консервантами древесины и другими органическими соединениями. Такие биореакторы предпочтительнее биотехнологии in situ при очистке гетерогенных почв, почв с низкой проницаемостью, а также территорий, на которых трудно захватить залегающую грунтовую воду, наконец, если требуется более быстрая обработка отхода.

Биореакторы с взвешенной фазой сначала применяли для разрушения в выкопанной загрязнённой почве или в осадках, вычерпанных земснарядами, не содержащих галогенов полулетучих органических соединений (ПЛОС) и летучих органических соединений (ЛОС). В этих реакторах могут быть также разрушены взрывчатые соединения. В дальнейшем в реакторы стали вносить специально адаптированные микроорганизмы и их стали использовать для разрушения в грунтах и осадках галогенированных летучих органических соединений (Х-ЛОС) и галогенированных полулетучих органических соединений (X-ПЛОС), а также пестицидов, и ПХБ. Иногда для тех же целей применяют в одном процессе анаэробные и аэробные биореакторы с взвешенной фазой, установленные последовательно.

Ограничения технологии

Ограничивать применимость и эффективность процесса могут следующие факторы:

• требуется выкапывание больших объёмов загрязнённой почвы;

• подготовка почвы (доведение частиц почвы до необходимого размера) перед помещением их в реактор может оказаться затруднительным и дорогим;

• негомогенные почвы могут создать серьёзные проблемы обращения с вредными материалами;

• обезвоживание тонкодисперсных почв после обработки может оказаться дорогим;

• необходим приемлемый метод удаления сточных вод, уже не возвращаемых в технологический цикл.