Кузнецов А.Е., Градова Н.Б., Лушников С.В. и др. Прикладная экобиотехнология. Учебное пособие. В 2-х томах

через пищеварительный канал контаминированную почву, сорбируют в организме загрязнения. При использовании этого способа загрязненную почву сначала обрабатывают сорбентами или микроорганизмами-деструкторами для уменьшения вермитоксичности, а затем заселяют дождевыми червями. Дождевых червей собирают (для этого разработан ряд методов) и собранную биомассу перерабатывают. При использовании червей одновременно происходит восстановление нормальной почвенной микрофлоры и структуры почвы.

4.4.5. Биомобилизация и биовыщелачивание

Биомобилизация предусматривает перевод загрязнений в подвижную форму.

Втой или иной степени биомобилизация загрязнений может наблюдаться: при использовании метода промывки почв; при солюбилизации гидрофобных соединений, металлов в результате образования продуктов жизнедеятельности организмов, био-ПАВ с хелатирующими свойствами (ди- и трикарбоновых кислот, гидрокси- и кетокислот, ароматических кислот, аминокислот, многоатомных спиртов, белков и др.); при разрушении организмами почвенного вещества, деполимеризации и расщеплении ковалентных связей ксенобиотиков с молекулами почвенного вещества и т. п. В результате десорбции органических загрязнений может повыситься их биодоступность, ускориться деградация.

Из процессов, увеличивающих подвижность металлов и других химических элементов в природных средах, наиболее значимым является выщелачивание.

Врезультате биовыщелачивания тяжелые металлы из малоподвижной инертной формы переходят в более подвижную водорастворимую форму непосредственно под действием микроорганизмов или в результате изменения условий среды (например, pH). В природе этот процесс протекает наиболее интенсивно при биовыщелачивании сульфидных минералов железа. Сера сульфидов окисляется растворенным молекулярным кислородом или ионами Fe3+ при участии сероокисляющих микроорганизмов (Thiobacillus ferrooxidans, T. thiooxidans и др.), которые наиболее активны в среде с pH 1,0–3,5 и устойчивы к высокой концентрации тяжелых металлов. Железо высвобождается и переходит в растворимые формы в виде ионов Fe2+. В свою очередь, железоокисляющие микроорганизмы катализируют окисление Fe(II) в Fe(III) кислородом.

Наряду с биовыщелачиванием сульфидных руд возможно растворение карбонатов, выщелачивание силикатов и алюмосиликатов под действием низкомолекулярных продуктов метаболизма, обладающих хелатирующими свойствами, автотрофных и гетеротрофных микроорганизмов. При выщелачивании окисленные минералы, в частности Mn(IV), восстанавливаются с переводом выщелоченных металлов в растворимые формы.

Бактериальное выщелачивание используется в горнодобывающей промышленности для извлечения металлов из руд, особенно сульфидных, находящихся в горных породах, либо в виде минеральных концентратов обогатительных фабрик. Растворы металлов собираются и далее перерабатываются.

Рис. 4.28. Вариант организации биовыщелачивания тяжелых металлов

При биоремедиации процессы биовыщелачивания используют для удаления металлов и радионуклидов из загрязненных почв или других твердых материалов методами in situ, on site и ex situ.

Типичный вариант организации in situ биовыщелачивания тяжелых металлов представлен на рис. 4.28.

Участок территории, загрязненный тяжелыми металлами, орошается раствором, содержащим органические вещества, комплексообразователи, ПАВ, с низким рН. В результате активизации жизнедеятельности почвенных микроорганизмов, реакций комплексообразования и других процессов металлы выщелачиваются из твердой фазы почвы, растворяются в жидкой и становятся более подвижными. Дренируемые растворы собираются в коллектор и далее биологически обрабатываются.

4.4.6. Реакционно-активные биобарьеры

Реакционно-активные биобарьеры – это варианты барьеров, сооружаемых in situ на пути миграции загрязнений для их локализации и обезвреживания. В биобарьерах протекают биологические процессы, благодаря которым в основном и реализуются защитные функции.

Типичный реакционно-активный биобарьер содержит водо- и воздухопроницаемую загрузку или сорбент (минеральные материалы, активный уголь и др.), на поверхности которых естественным образом или в результате внесения в загрузку специализированных биопрепаратов развивается биопленка микроорганизмов-деструкторов. Показаны и другие способы формирования биопленки, например, на обводненных субстратах в результате миграции бактерий под действием электрического поля. При движении грунтовых вод через биобарьер загрязнения окисляются микроорганизмами, подобно тому как это происходит при очистке сточных вод на биофильтрах, биосорберах, в биотенках. При миграции органических загрязнений барьер может быть сооружен на

основе пористого, хорошо дренируемого и аэрируемого материала с железными опилками, на поверхности которых развиваются железобактерии. Образующиеся ионы Fe3+ окисляют органические загрязнения в потоках, движущихся через барьер. При использовании сорбента присутствие микроорганизмов позволяет повысить его адсорбционную емкость и срок действия. Для снабжения микроорганизмов акцепторами электронов наряду с воздухом могут использоваться и другие источники кислорода, в частности пероксиды, нитраты и др.

Недостаток in situ биобарьеров c перколяцией заключается в постепенном засорении загрузки вследствие процессов химического осаждения (например, отложения оксидов железа) и биологического обрастания.

Вариантами активных биобарьеров, в которых биологическое обрастание

изасорение не играют существенной роли, являются искусственные биогеохимические барьеры и биоэкраны. Пример искусственного биогеохимического барьера представлен на рис. 4.29.

Для предотвращения миграции тяжелых металлов сооружается анаэробный барьер. Для этого в траншею по периметру участка, загрязненного тяжелыми металлами, загружают материалы, содержащие большое количество сульфатов (например, гипс) и органический субстрат (например, опилки, солому и т. п.). Сверху траншею изолируют для ограничения поступления воздуха. В траншее со временем развивается процесс анаэробной сульфатредукции. Ионы металлов, мигрирующие через такой барьер, образуют нерастворимые сульфиды в результате реакции с выделяющимся сероводородом и обездвиживаются. Такой искусственный геохимический барьер может быть сооружен вблизи свалок, иловых площадок, районов локального загрязнения радионуклидами и т. п.

ипредотвращает миграцию загрязнений.

Рис. 4.29. Искусственный биогеохимический барьер

Аэробные биогеохимические барьеры могут сооружаться на пути миграции грунтовых вод с повышенным содержанием Sr2+, Ba2+, Fe2+, Mn2+. Вследствие образования углекислоты при окислении микроорганизмами органических субстратов, вносимых в зону контакта, происходит осаждение карбонатов.

Для удаления фосфора можно использовать барьер с загрузкой, смешанной с железными опилками. Развитие железоокисляющих бактерий в аэробных условиях способствует образованию Fe3+, при взаимодействии которого с фосфатом образуются нерастворимые соединения.

Биоэкран может быть организован, например, путем аэрирования некоторого участка почвы в направлении, перпендикулярном движению грунтовых вод. При поступлении к этому участку загрязнение может быть биологически окислено или десорбировано потоком воздуха.

Для создания биоэкрана выкапывают, например, вертикальную траншею или серию вертикальных колодцев, в которых монтируется система аэрирования и загружается пористый, хорошо проницаемый материал. Практически создается in situ биореактор. Условия, необходимые для роста микроорганизмов (pH, концентрация растворенного кислорода) в таком биореакторе, могут контролироваться и регулироваться для оптимизации процессов биообработки и избежания забивания пористого материала биомассой растущих микроорганизмов или в результате геохимических процессов.

4.4.7.Обработка в штабелях, буртах, насыпях, компостированием

Обработка загрязненного материала в штабелях, буртах, насыпях осуществляется методами on site и ex situ (off site).

Загрязненныйматериалскладируетсярядомсзонойзагрязнения(landfarming) в виде штабелей (biopiles), буртов, насыпей (biomounds) или транспортируется на полигоны или специальные площадки. Материал обрабатывают в условиях, благоприятных для протекания биологических процессов, таких как биовыщелачивание, биодеструкция или перевод загрязнения в неподвижную форму. Обезвреженную почву возвращают на место.

Методом on site складирования на полях обычно обрабатываются нефтезагрязненные почвы (время обработки – от 6 мес до двух лет). Загрязненную почву изымают, распределяют слоями на подготовленном участке, добавляют минеральные компоненты питания, дополнительные органические субстраты, мате- риалы-структураторы (навоз КРС, древесная щепа, опилки) для удержания влаги, хорошей аэрации, обеспечения микроорганизмов кислородом, легко доступными источниками углерода, азота, фосфора и микроэлементами. Почва поддерживается влажной, периодически аэрируется перелопачиванием, вспашкой и т. п.

Метод относительно прост, но для обработки почвы требуются большие площади. Присутствие высокотоксичных или биологически устойчивых загрязнений, тяжелых металлов затрудняет использование данного метода. При опасности выщелачивания загрязнений в грунтовые воды или улетучивания их до опасных концентраций в атмосферу необходимы дополнительные меры, например, складирование почв на непроницаемой пластиковой пленке или слое глины, укрытие складированных почв пленкой или сооружение коллекторных систем сбора вымываемых с водой загрязнений.

Складирование загрязненного материала в бурты позволяет осуществлять процесс очистки в более контролируемых условиях. При формировании буртов загрязненную почву изымают, насыпают в бурт, обваловывают со всех сторон и укрывают пластиковым покрытием. Внутри бурта размещают серию перфорированных труб, через которые насосами нагнетается или откачивается воздух. Кислород может доставляться и с помощью кислородгенерирующих соединений (пероксидов и т. п.), смешиваемых с почвой по мере формирования бурта. Для поддержания биологических процессов очистки почву бурта периодически увлажняют, вносят в нее необходимые элементы питания. При необходимости добавляют и специальные биопрепараты (микробные культуры), а также дополнительные реагенты (например, железную пудру в случае загрязнения почвы хлорированными растворителями), поверхностно-активные вещества и другие добавки. Выщелоченные растворы и отходящий загрязненный воздух собирают и обрабатывают отдельно.

Бурты могут быть использованы для очистки от большинства биоразлагаемых загрязнений, однако, как и при полевом складировании, чаще всего в них обрабатываются нефтезагрязненные почвы. Распространение получила и обработка строительного материала, загрязненного нефтепродуктами, различных осадков с целью уменьшения их объема. В этом случае используются специальные добавки, стимулирующие биодеградацию органических загрязнений.

По сравнению с методом полевого складирования способ обработки в буртах так же прост в исполнении (рис. 4.30), но при этом требуются значительно меньшие площади, меньше и эмиссия в воздух летучих загрязнений, которые могут легко улавливаться и обрабатываться, что является основным преимуществом этой технологии.

Рис. 4.30. Обработка загрязненного материала в буртах

Бионасыпи – вариант буртов с добавлением материалов-структураторов (песка при обработке глинистых почв, коровьего навоза, древесной щепы, опилок и др.) для удержания влаги, обеспечения хорошей аэрации, а также легкодоступных источников азота, фосфора, микроэлементов, необходимых для развития микроорганизмов. Глыбистые глинистые почвы предварительно размалывают до комков среднего размера менее 2 см; камни, гравий и мусор удаляются. Сме-

шивание песка с глиной увеличивает проницаемость грунта, однако высокая удельная плотность песка ограничивает высоту бионасыпи при его использовании. Количество примешиваемого песка определяется также его качеством. Внесение органических структураторов более эффективно, чем внесение песка,

ипри обработке нефтезагрязненных почв позволяет быстрее и полнее удалять остаточные количества загрязнений и обеспечивать нормативные требования к качеству очистки.

Соотношение компонентов грунта, из которого формируются бионасыпи, составляется таким образом, чтобы исключить необходимость рыхления почвы в течение всего срока обработки. Для аэрации используются простые системы, которые обычно включают решетки, иногда с множественными слоями горизонтальных труб, составленных из гибких или перфорированных дренажных керамических труб, наряду с вертикальными стояками из ПВХ. Бионасыпи генерируют тепло в результате биологической активности. Для удерживания тепла и влаги насыпи накрывают пластиковой пленкой.

При компостировании загрязненный материал смешивают с объемным органическим материалом (зеленой массой растений, соломой, корой деревьев, навозом, различными органическими отходами) и выдерживают в буртах или обрабатывают в биореакторах (по методам on site и ex situ). При необходимости в компостируемый материал вносят минеральные компоненты, питание), биостимуляторы, микробные препараты. Соотношение питательных элементов для микроорганизмов должно быть близким к C : N : P = 100 : 10 : 1

Вотличие от метода обработки загрязненных почв в бионасыпях или буртах при компостировании почву вместе с добавленным материалом периодически рыхлят. В наиболее активной фазе компостирования наблюдается сильный разогрев обрабатываемого материала.

С помощью компостирования обрабатывают почвы, загрязненные нефтью, хлорированными и ароматическими соединениями, фенолами, пестицидами и другими органическими поллютантами. Загрязнения разлагаются микрофлорой компоста в аэробных условиях или вступают в химические реакции с компостируемым материалом с образованием связанных остатков. Показано, что методом компостирования можно снизить содержание тринитротолуола в материале с 1 до 50 мг/кг в течение 50 сут. Содержание экстрагируемых углеводородов уменьшается с 2 до менее 50 мг/кг в течение 50 сут, пестицида ДДТ с 5 до 0,7 мг/кг в течение 137 сут.

Впроцессе компостирования контролируется наличие патогенных бактерий

игрибов. В компосте возможно развитие такой плесени, как Aspergillus fumigatus. Споры этого организма встречаются в воздухе вблизи мест компостирования и могут вызывать легочные заболевания. Поэтому определение места для компостирования является важным с санитарно-гигиенической точки зрения.

При способе вермикомпостирования предусматривается использование дождевых червей при обработке смеси загрязненного материала с органическим субстратом. Данный метод подробнее рассмотрен в разд. 3.3.

Для уменьшения затрат биореакторы можно использовать в качестве одной из ступеней обработки контаминированных материалов с предварительным фракционированием по степени загрязнения механическими или гидромеханическими методами. Наиболее загрязненные фракции при этом обрабатываются в биореакторах.

Так, в последовательной схеме обработки бурового шлама, загрязненного минеральным маслом, предусматривается сначала подача исходного материала

вгидроциклон для промывки и разделения на менее или незагрязненную грубую фракцию и наиболее загрязненную тонкую фракцию (рис. 4.32). Последняя направляется в аэрлифтный биореактор для микробиологической обработки. После биореактора предусмотривается стадия обезвоживания на фильтр-прес- се. Весь технологический процесс ведется в непрерывном режиме. При исходном содержании углеводородов нефти 20 г/кг очистка на 80–90% происходит

втечение 2–3 сут.

Рис. 4.32. Обработка бурового шлама в схеме с биореактором (по A. Noke et al., 2000): 1 – миксер; 2 – просеивающая машина; 3 – емкость-питатель; 4 – аэрлифтный биореактор; 5 – обезвоживание

В другом процессе (рис. 4.33) предусматривается последовательная обработка почвы, загрязненной углеводородами: механическое фракционирование и биологическая обработка тонкой фракции в реакторе с жидким (взвешенным) слоем. Концентрация почвы в реакторе 30% от объема, размер частиц <500 мкм. Концентрация углеводородов 2–12 г/кг почвы. Углеводороды минерализуются за 14 ч в условиях аэрирования почвы и добавления азота.

Рис. 4.33. Схема последовательного процесса обработки почвы, загрязненной углеводородами с использованием суспензионного биореактора (по K.-H. Robra et al., 1998)

Предварительное фракционирование почвы может быть выполнено и флотационным методом. Флотация и биологическая обработка могут проводиться одновременно в едином аппарате. При очистке от нефтепродуктов этот метод позволяет перерабатывать грунты с содержанием 5–20% нефтепродуктов, удалять до 97–99% массы загрязнений и обеспечивать остаточное содержание нефтепродуктов 0,5–2,0 мг/кг грунта и менее.

Флотационное фракционирование может происходить при анаэробной обработке нефтешламов, донных осадков в шламонакопителях и прудах-от- стойниках. Анаэробные микроорганизмы выделяют поверхностно-активные вещества, которые придают поверхности механических частиц гидрофильные свойства, что способствует расслоению нефтяной эмульсии, а выделяемые пузырьки газа увлекают частицы нефти на поверхность.

Биореакторы могут использоваться и для очистки промывных вод и отдуваемых газов, образующихся в ходе обработки почв, грунтов, осадков. При очистке воды и газов чаще всего используются биофильтры или биосорберы с минеральной или органической загрузкой. Для этих целей разработаны стационарные установки с биореакторами и их мобильные варианты. Мобильные установки могут использоваться и для выращивания микроорганизмов, получения необходимого количества биомассы микроорганизмов для последующего внесения в контаминированные среды при проведении очистки биоаугментацией.

Общий недостаток обработки в биореакторах загрязненных почв и грунтов – высокие затраты по сравнению с методами in situ и обработкой в буртах. Наибольшие затраты при обработке в аэробных условиях связаны с затратами электроэнергии для обеспечения перемешивания и аэрирования. В анаэробных биореакторах затраты на перемешивание существенно ниже.

4.4.9.Комбинированные и гибридные процессы

Биоремедиациязагрязненныхсредредкоиспользуетсякаксамостоятельный

иединственный способ. Биологическая очистка чаще сопровождается физическими, физико-химическими и химическими процессами превращения поллютантов. Даже при высокой биологической активности в загрязненных средах небиологические процессы, как правило, имеют важное значение для ремедиации.

При сильном загрязнении проводится последовательная очистка разными методами, при которой биометоды используются на финишных стадиях обработки контаминированного материала. Особенно часто последовательные схемы очистки сочетают микробиологические методы с сорбционными: в буртовых технологиях после сбора и обезвреживания сорбента, при очистке загрязненной воды на биофильтрах и в аэротенках. Последовательное или одновременное применение сорбентов и микроорганизмов возможно при удалении загрязнений с поверхности водоемов. Сорбент при этом связывает загрязнения и служит носителем для иммобилизации микроорганизмов-деструкторов. Микроорганизмы, разлагая загрязнения, одновременно могут регенерировать сорбент. Сорбенты в виде тканых или нетканых материалов и матов могут использоваться для удаления нефтезагрязнений с поверхности почв. Сбор отработанного сорбента в этом случае не представляет сложностей, а оставшаяся часть загрязнений удаляется биометодами.

Биологическую очистку можно непосредственно комбинировать по месту

ивремени с физико-химическими методами, такими как промывка, отдувка, экстракция для удаления летучих или растворимых соединений, с электрохимической обработкой, радиочастотным нагревом, обработкой химическими реагентами. В процессах биовыщелачивания одновременно наблюдается биологическое окисление соединений и химическое – при участии Fe3+. Одновременно может происходить химическое восстановление хлорированных соединений водородом или элементарным железом и микробиологическое, могут происходить химические каталитические и биокаталитические процессы в почвенной среде. Ввод дополнительной энергии в загрязненную экосистему перед биологической очисткой или во время ее может приводить к ускорению биодеструкции органического вещества в несколько раз.

Кчислу потенциально перспективных методов для практического применения относится совмещенный способ биологической и деструктивной очистки с использованием сильных окислителей, например, таких как пероксид водо-