1.2 Методы ремедиации нефтезагрязненных объектов в различных почвенно-климатических условиях

Эффективность ремедиации ландшафтов, нарушенных техногенезом, оценивается по восстановлению экологических и хозяйственных функций почвы. Причем, хозяйственная функция, определяемая способностью почвы давать полезную продукцию, восстановливается быстрее, чем экологическая, которая определяется по способности почвы создавать и регулировать условия существования почвообитающих организмов и несет в себе сложное взаимодействие пищевого, геохимического, вводно-воздушного режимов и свойств почвы в формирующемся местообитании.

Нефтяные загрязнения относятся к антропогенным воздействиям катастрофического порядка, дающим не постепенную, а залповую нагрузку на экосистему. Под влиянием нефтяного загрязнения в почве происходят глубокие, а иногда и необратимые изменения морфологических, физических, физико-химических, микробиологических свойств.

Многие технологии, применяемые для обработки небольших участков (например, техническая обработка грунта), совершенно непригодны для больших территорий. В связи с этим целесообразно сгруппировать технологии ликвидации загрязнений для малых площадей (локальное загрязнение) и больших (территориальное загрязнение). Если ориентироваться на природу процессов очистки почв, то целесообразно выделить следующие типы технологий: механические, термические, физико-химические, химические, биологические, агрохимические, агротехнические и комбинированные.

1.2.1 Современные приемы восстановления продуктивности нефтезагрязненных объектов

Для прогнозирования развития антропогенно нарушенных экосистем, разработки оптимальных методов рекультивации нефтезагрязненных почв и решения многих других актуальных проблем необходимо знание путей и законов трансформации специфических и неспецифических органических веществ в почвах под влиянием нефтезагрязнения. Поскольку темпы естественного самоочищения таких почв являются невысокими, то для решения основной задачи восстановления нефтезагрязненных почв требуется всесторонняя оценка положительных и отрицательных сторон того или иного метода очистки.

Так, механическое удаление загрязненного слоя почвы и транспортировка его в специально оборудованные места для очистки от нефтезагрязнений является дорогостоящим методом, сопряженным с отводом значительных земель, которые могли бы использоваться в других целях. Вынос загрязненного грунта на специально оборудованные свалки, где предусматривается его длительное хранение, имеет еще один существенный недостаток, так как этот грунт представляет потенциальную опасность, в ходе чего наблюдается попадание загрязнителя в грунтовые воды.

Для восстановления плодородия почвы также насыпают слой плодородной земли. Однако, все эти технологии, наряду с большими затратами энергии и материалов, являются недостаточно эффективными, так как при такой очистке образуются значительные количества шламов и побочных продуктов, утилизация которых порождает новые серьезные экологические проблемы.

Для очищения почвы от летучих компонентов нефти помимо вспашки и интенсивного рыхления почвы некоторые исследователи рекомендуют использовать и другие приемы. Например, F.S. Payne предлагает для этой цели пробурить одну или несколько скважин для нагнетания воздуха в почву. Автор указывает, что сжатый воздух вытесняет загрязнитель из почвы, заставляет его собираться в вытяжной скважине, через которую отсасывают эту смесь и направляют для очистки.

Термодесорбция представляет собой технологию, где отходы нагреваются до испарения воды и улетучивания в виде органических веществ. Проведение такого процесса требует значительных финансовых затрат, специального обученного рабочего персонала и специализированной техники. К тому же, эти методы характеризуются сложностью исполнения, образованием токсичных промежуточных продуктов и твердых остатков, а также длительным периодом, необходимым для полного извлечения токсикантов.

Наряду со многими другими методами, используется также компостирование грунта путем смешивания его с различными наполнителями типа торфа, соломы и рисовой шелухи с целью дальнейшего использования компостов в сельском хозяйстве. Наполнители такого рода могут использоваться и в качестве сорбентов нефтяных углеводородов.

Среди методов, успешно применяющихся для решения задач ликвидации последствий нефтяного загрязнения, сорбционная очистка нефтезагрязненной поверхности является, по мнению некоторых авторов, наиболее эффективным способом удаления загрязнения. При этом преимуществами этого метода исследователи считают возможность удаления чрезвычайно широкой гаммы загрязнений, отсутствие вторичных загрязнений и управляемость процессов [94]. Среди наиболее распространенных сорбирующих материалов предпочтение в современный период отдается природным сорбентам в силу их широкого распространения, а также высокой инертности и дешевизны.

Так, киевские ученые разработали биоактивный порошкообразный сорбент природного происхождения на основе карбонизата местного сырья (древесных опилок, растительных остатков и др.).

Рынок предлагает нефтяные сорбенты на основе мхов и торфа такие, как лесосорб, производителем которого является ООО «Лесосорб», сорбест (ЗАО «Экосорбент АЕН»), канадский «Питсорб» и французский «Турбоджет». Нефтеемкость таких сорбентов обычно не превышает 4-8 г нефти/г сорбента.

В ИППУ СО РАН совместно с ЗАНПО «Вега-2000-Сибирская органика» разработана технология синтеза новых нефтяных сорбентов, основанная на биореагентной термической обработке природного сапропеля.

Биосорбенты на основе торфа и торфосодержащих продуктов использовали в своих работах многие авторы. Универсальность их применения заключается в использовании нефтеусваивающих культур микроорганизмов, находящихся в самом торфе и введении минеральных добавок для активизации их нефтедеструктивной способности.

Большой интерес представляет использованние углеродных сорбентов, получаемых из избыточного активного ила, содержащего более 50 % углерода. В более простом варианте подсушенный ил подвергают подкислению и смешиванию с формальдегидом с дальнейшей термообработкой.

На основе шунгитовой породы создан сорбент для очистки промышленных сточных и ливневых вод от нефтепродуктов. Из цепочечных силикатов как материал для получения сорбента востребован волластонит.

Наиболее подходящим и эффективным, по мнению автора диссертационной работы, для целей сорбционной очистки нефтезагрязненных территорий является применение цеолита – природного минерала, который является высококремнистым молекулярным ситом и представляет значительный практический интерес.

В настоящее время крупнейшие месторождения цеолитов выявлены в немногих странах мира таких, как США, Япония, Италия, Канада, Болгария, Венгрия и др. В странах СНГ крупные месторождения обнаружены в России, Грузии, Украине, Азербайджане. В странах Средней Азии наиболее крупными являются месторождения в Казахстане, Киргизстане и Узбекистане, однако их освоение началось сравнительно недавно – в 90-е годы прошлого столетия.

Цеолитовые туфы разных месторождений различаются по набору основных минералов – клиноптилолит, морденит, геоландит, шибазит и т.д. (всего более 40 видов минералов). Они также различаются по физико-химическим свойствам, прочности и цвету. В них содержатся от 30 до 40 макро- и микроэлементов, наибольший удельный вес среди которых занимают окиси кремния, алюминия, железа, кальция, магния, натрия, калия.

Значительную роль в ограничении распространения нефти и скорости ее разложения играют различные технические мероприятия. В качестве примера вышесказанного можно привести выжигание или пескование почв. Однако, эти мероприятия сопряжены с высокими денежными затратами и, к тому же, остатки нефтепродуктов после сгорания обладают высокой токсичностью. Восстановление выжженных почв растягивается на долгие годы и растительность появляется не ранее, чем через 10 лет. Для сравнения фитовосстановление на невыжженных участках происходит на 4 год после разлива нефти. При песковании происходит частичная сорбция битуминозных веществ перекрывающим песчаным материалом.

Для очистки нефтезагрязненной почвы обосновано применение флотации с обработкой почвы поверхностно-активными веществами.

Пневматическое растрескивание применяют при высоком давлении подземных слоев для того, чтобы открыть пути для воздушного потока или водного потока, позволяющего лучше извлечь загрязнители. Этот способ позволяет извлекать материалы, которые задерживаются в глубоких образованиях.

Стабилизация (или отвердевание) – метод, предназначенный для предотвращения миграций загрязнителей. Производится смешиванием цемента или других затвердевающих веществ, таких как зола или пыль с почвой или шламом для образования монолитной твердой массы. Смешивание выполняется буровым оборудованием, оснащенным смешивающим долотом большого диаметра. Недостатки такого подхода заключаются в нижеследующих параметрах: 1) такой метод не разрушает загрязнитель, поэтому проблема детоксикации как такова нерешена; 2) ограничивает будущее использование площади земель; увеличивает объем материала, используемого для затвердевания.

1.2.2 Биологическая рекультивация нефтезагрязненных объектов

Анализ тенденций развития исследований в области защиты окружающей среды показывает, что, наряду с совершенствованием существующих методов, большое внимание уделяется биологической рекультивации: микробиологической и фиторекультивации. Бесспорными преимуществами этого метода являются эффективность, экономичность, экологическая безопасность, технологическая гибкость и отсутствие вторичных загрязнений.

Фиторекультивация - это, в первую очередь, закрепление поверхностного слоя почвы корневой системой растений, создание сомкнутого травостоя, предотвращающего эрозии. Особенность микробиологической рекультивации заключается в ускорении процессов разложения нефти и нефтепродуктов почвенными микроорганизмами.

Несмотря на имеющийся обширный литературный материал, касающийся вопросов рекультивации нефтезагрязненных земель, среди исследователей нет единого мнения о преимуществах того или иного метода. Кроме того, в разных почвенно-климатических зонах процессы самоочищения, самовосстановления нефтезагрязненных почвенных экосистем протекают по-разному. Это зависит от многих факторов, а, в частности, от состава нефти и ее начальной концентрации, от вида почвы и от многих других экологических и климатических факторов. В литературе также предлагается традиционная схема восстановительных работ и данные о принципиальных их возможностях, но вряд ли целесообразно переносить этот опыт в другие регионы без соответствующей модификации.

Наряду с вышесказанным, необходимо отметить востребованность в последнее время микробиологического метода, за которым признается несомненный приоритет по показателям эффективности и экономичности. Этот метод экологически безопасен и выгодно отличается отсутствием вторичных отходов, что нельзя сказать о фиторекультивации.

Восстановление нефтезагрязненных объектов основано на стимуляции природных процессов деградации, происходящих в самой почве. В настоящее время существуют два принципиальных способа ускорения биологического разрушения нефтяных углеводородов в природной среде: стимуляция естественной углеводородокисляющей микрофлоры путем создания оптимальных условий для ее развития (внесение минеральных удобрений, сорбентов, применение агротехнических мероприятий и др.) и внесение в загрязненную экосистему нефтеокисляющих микроорганизмов.

По мнению многих авторов внесение углеводородокисляющих микроорганизмов для очистки нефтезагрязненных объектов – неперспективно, тогда как, при создании благоприятных условий среды, почва с аборигенной микрофлорой способна сама восстановить свои жизненно-важные свойства. Активизация и стимуляция жизнедеятельности микроорганизмов, способных утилизировать самые различные углеводороды, достигается путем внесения дополнительного питания, улучшения водно-воздушного режима почвы (аэрация, рыхление, полив, доступные источники азота и фосфора, и др. агромелиоративных мероприятий).

Как известно, нефтяное загрязнение изменяет и агрохимические свойства почв. Так, с внесением в почву нефтяной органики значительно увеличивается содержание углерода. Это приводит к нарушению соотношения между С:N. Обеспеченность почв биогенными элементами, и, в первую очередь, азотом и фосфором, является важным фактором, определяющим интенсивность разложения углеводородов. Недостаток питательных веществ можно пополнить различными видами удобрений. В тоже время существует мнение о том, что низкое содержание азота и фосфора не влияет на разложение дизельного топлива. Однако, здесь же, обнаружена стимуляция деструкции нефти культурой Mycobacterium mucosum при добавлении 242 мг/л азота и 178 мг/л фосфора.

По поводу доз удобрений единой точки зрения не существует. Мнения на столько противоречивы, что одни исследователи предлагают 600 кг/га, тогда, как другие выше 1500 кг/га. Однако, в противовес этому мнению существуют данные о том, что доза азотных удобрений свыше 1000 кг/га вызывает фито- и микроботоксичность. Аналогичная картина вырисовывается и по отношению к фосфорным удобрениям. Ван ден Берг предлагает добавлять фосфор в соотношении С:Р=10:1 тогда, как Исмаилов с коллегами указывает на внесение 50 мг/кг Р (д.в.) независимо от степени загрязнения. Поэтому, вопрос об оптимальных дозах минеральных удобрений остается открытым.

Наряду со значением питательных элементов для активного окисления нефтяных углеводородов микроорганизмами, необходимо улучшать условия среды обитания почвенной микрофлоры увеличением доступа кислорода, так как, в основном, нефтеокисляющие микроорганизмы являются аэробами. Учитывая особенности локализации загрязнителя, для доступа кислорода целесообразно проведение многократной вспашки, рыхления и дискования почвы.

При изучении самоочищающей способности экосистем от нефтяного загрязнения необходимо знать параметры всех факторов, участвующих в процессе самоочищения, а, в частности, абиотические и биотические. Физико-химические процессы играют существенную роль в деструкции углеводородов нефти в различных объектах, но полная ликвидация негативных последствий нефтяных пятен возможна только при участии микроорганизмов и, непосредственно, углеводородокисляющих.

Интересным является поведение интродуцируемых популяций нефтеокисляющих микроорганизмов в экосистемах. Так, в работах многих авторов показано, что оптимальная интродукционная нагрузка, при которой популяция дрожжеподобного углеводородокисляющего гриба Candida lipolitica 40D доминирует в нефтеокисляющем микробном сообществе почвы, составила 10⁸ кл/г почвы. Тот факт, что интродуценты быстро элиминируются в загрязненных нефтью объектах, является благоприятным свойством, так как в данном случае возможность применения таких микроорганизмов или сообществ увеличивается. Примером может служить высокий потенциал неместных штаммов микроорганизмов, использованных для биоремедиации нефтезагрязненных прибрежных экосистем Дальнего Востока.

При использовании микробиологических методов рекультивации возникают ряд проблем, касающихся взаимодействия вносимых в почву популяций с естественной микрофлорой, поэтому особое внимание уделяется применению углеводородокисляющих микроорганизмов, выделенных из нефтезагрязненного объекта, который и предусматривается очистить от нефтяных углеводородов.

Значительное количество работ свидетельствует об интенсивности деградации нефти в почве с применением микроорганизмов – нефтедеструкторов.

Для создания высокоэффективных микробных препаратов по очистке различных нефтяных загрязнений применяются методы генной инженерии. Однако, применению таких методов надо подходить крайне осторожно.

Ряд авторов считает наиболее перспективным использование всего комплекса рекультивационных работ, включающего физические, химические и биологические методы.

Применение методов рекультивации с внесением высокоактивных штаммов нефтеокисляющих микроорганизмов широко распространено в случае свежих разливов, когда почвенная микробиота подавлена. Количество углеводородокисляющих микроорганизмов в таких почвах долгое время остается низким по сравнению с почвой, которая справляется с задачей негативного воздействия нефтяных углеводородов на почвенную экосистему в целом.

Таким образом, подытоживая два принципиально новых подхода к решению задачи ликвидации нефтяных загрязнений и негативного их воздействия на окружающую среду (активизация деятельности аборигенной нефтеокисляющей микрофлоры и внесение активных штаммов микроорганизмов - нефтедеструкторов), необходимо отметить, что биовосстановление по вышеупомянутым способам является высокоэффективным, экологически чистым и перспективным.

В литературе отмечается, что, несмотря на очевидные трудности микробиологических способов интенсификации процессов разложения нефти и нефтепродуктов, некоторую противоречивость получаемых результатов, технологические сложности производства и применения микробных препаратов, в целом следует признать, что только микроорганизмы могут выступать в качестве практически значимых катализаторов ускоренной деградации нефтезагрязненных природных экосистем. Следовательно, изыскание микроорганизмов, отличающихся высокой способностью окислять нефть, овладение технологиями производства и применения биопрепаратов является реальным гарантом улучшения экологической ситуации и возвращения загрязнения земель и вод в сферу продуктивного потребления.