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

Биологические методы не могут использоваться в зонах с высокой концентрацией загрязнений, если загрязнение небиодоступно, если возможно образование токсичных продуктов биотрансформации.

При использовании биоремедиации необходимо создание условий, обеспечивающих активность микроорганизмов: аэрации, pH, температуры, влажности, солености, достаточных количеств биогенных элементов и других компонентов питания в формах, доступных для микробных клеток. Высокие концентрации поллютантов могут ингибировать развитие микроорганизмов, в то время как слишком низкие – не обеспечивать микроорганизмы энергией для роста, а кометаболизм загрязнений при потреблении альтернативного источника энергии затруднен. Биодоступность загрязнений может ограничиваться вследствие, например, их адсорбции глинистой фракцией или почвенным органическим материалом, иммобилизацией в порах с меньшим диаметром, чем размер клеток бактерий. При многокомпонентном загрязнении возможно удаление лишь наиболее доступных составляющих. При очистке глубоких почвенных горизонтов могут возникнуть трудности с обеспечением оптимальных условий протекания биологических процессов.

При выборе биоремедиации как метода очистки важно учитывать возраст загрязнения, попавшего в природную среду. Если загрязнения – органические ксенобиотики и застарелые, то существует большая вероятность появления в таких средах микроорганизмов-деструкторов, способных разлагать данные поллютанты. В этом случае система мер по обезвреживанию загрязнений и ремедиации почв сводится к оптимизации условий в почвенной среде, обеспечивающих активность биодеструкторов с помощью методов in situ, обеспечению транспорта субстратов и минерального питания к микроорганизмам. Основные технические приемы для стимулирования биодеградации включают промывку почвы, экстракцию (откачку) почвенных растворов и газовой среды под вакуумом, горизонтальным дренированием или через колодцы, барботирование (нагнетание) воздуха в подпочвенные слои. Преимущества применения метода стимулирования: не требуется получать специальные разрешения на применение микроорганизмов-биодеструкторов и относительно низкие затраты. Однако этот метод можно использовать только при невысоком уровне загрязнения. При аварийных ситуациях и высоких уровнях загрязнения он неэффективен.

При высоком уровне и небольшом сроке загрязнения целесообразен метод биоаугментации. Микроорганизмы для этого метода могут быть выделены непосредственно из загрязненных сред или используются имеющиеся биопрепараты. Микроорганизмы вносятся в загрязненную среду вместе с другими добавками, обеспечивающими их жизнедеятельность. Данный способ повышает скорость ликвидации загрязнений и может быть эффективен при высоком уровне загрязнения. Для реализации способа биоаугментации требуются предварительные лабораторные и экспериментальные исследования на каждом объекте для подбора необходимых микроорганизмов, дополнительные затраты на накопление их биомассы, а также получение специальных разрешений на применение биопрепаратов.

По данным за 1998 г., доля проектов с использованием биологических методов ремедиации и очистки почв и подземных вод, финансово поддерживавшихся в рамках программ сотрудничества стран НАТО, составила около 35% (табл. 4.10).

Таблица 4.10.

Число проектов в рамках сотрудничества стран НАТО по развитию технологий ремедиации почв и очистки подземных вод

(по M. A. Smith et al., 1998)

ВГермании в 1996 г. из примерно 500 промышленных участков 50% были очищены и восстановлены путем извлечения с последующим возвращением почвы, 32% обработаны средствами деконтаминации, включающими прокачку и очистку грунтовых вод и технику экстракции почвенного воздуха, и 18% – методами изоляции (сооружение стен).

В1997 г. в Германии действовали 107 стационарных установок общей мощностью 3,8 млн т/год для обработки загрязненных почв методом ex situ, в том числе:

4 установки термической обработки (общая мощность 168 тыс. т/год)

24 установки промывки почвы (1,5 млн т/год)

81 установка биологической очистки (2 млн т/год).

В России только нефтегазодобывающими предприятиями при использовании биологического метода очищается в среднем 2000 га почв ежегодно. Методы биоремедиации нефтезагрязненных почв широко применяются в США, Великобритании, Канаде.

4.7.Практические работы и затраты при проведении биоремедиации

При проведении биоремедиации состав практических мероприятий по очистке территории или предотвращению миграции загрязнений зависит от конкретной ситуации и может включать: первичное обследование контаминированного участка, определение наиболее подходящих методов биоремедиации, планирование работ, оценку факторов, которые могут влиять на результаты работ,

подбор биопрепаратов или других биологических агентов, непосредственное проведение биоремедиации, мониторинг уровня загрязнений, оценку риска и затрат. Из приведенного ниже перечня ремедиационных работ и сопутствующих мероприятий в реальной ситуации выполняется лишь часть из них в связи с отсутствием необходимых материалов (карт, данных мониторинга и т. п.), ограниченности ресурсов и времени, невозможности получения всего объема информации.

Вся цепь мероприятий может быть завершена в течение 2–5 лет и более.

4.7.1. Основные этапы биоремедиационных работ

1. Первичное обследование, характеристика загрязненного участка и планирование биоремедиационных работ

Перед началом работ проводится гидрогеологическая разведка, определяются зоны загрязнения и концентрации поллютанта в почве, оценивается агротехническое состояние почвы, выполняются санитарно-гигиенические исследования.

На данном этапе, если возможно, используются карты и разрезы, на которых имеются сведения о гидрогеологических и гидрохимических условиях: геологическая, геоморфологическая и гидрогеологическая карты, карты почв и грунтовых вод, минерализации и химического состава грунтовых вод, засоления пород зоны аэрации, засоления почв с масштабом, позволяющим локализовать загрязненные участки. Карты должны отражать характер распространения, условия залегания, литологический состав, водопроницаемость, водоотдачу водовмещающих пород, динамику, качество и количество подземных вод в разрезе изучаемой территории. В ряде случаев имеются специализированные карты, составляемые в связи с практическим использованием подземных вод для водоснабжения, лечебных целей, теплофикации, поисковых критериев на полезные ископаемые и добычи минерального сырья, захоронения вредных промышленных стоков, искусственного восполнения подземных вод и т. п. Могут существовать также оценочные и хронологические гидрогеологические карты, которые содержат результаты оценки гидрогеологических условий или процессов применительно к решению тех или иных задач. Они отражают взаимодействие природных и инженерных систем, изменение во времени подземных вод под влиянием естественных факторов и деятельности человека. Для оценки загрязненных территорий конкретных городов, хозяйств удобно использовать карты масштабом 1 : 10000, 1 : 5000.

Сведения о физико-механических, водно-физических свойствах пород, характер распространения загрязнения, гидрогеологическая и гидрогеохимическая обстановки уточняются с помощью анализа отобранных образцов почв и воды, буровых скважин, мониторинговых колодцев. Могут использоваться и дополнительные геофизические средства, в частности измерение электромагнитной проводимости и магнитометрии, прокачка и нагнетание вод для получения сведений о структуре глубинных слоев.

606 Глава 4

При проведении полевых работ намечаются точки отбора проб и/или буровых скважин, наблюдательных колодцев, число повторных отборов и промежутки времени между ними, при необходимости используются статистические методы планирования эксперимента. По результатам полевого обследования, анализа образцов почв, гидрогеологической разведки, обследования наблюдательных скважин или колодцев определяют:

преобладающие типы и подтипы почв и их распределение в контаминированной зоне; состояние растительного покрова, степень деградации, эродированность почвенного покрова и характер эрозионных процессов, их интенсивность; водопроницаемость и влагоемкость почвы, ее структуру, степень плодородия;

хозяйственное использование земель, водный режим (промывной, непромывной), проводились ли мелиоративные работы на участке;

уровень залегания и характер движения грунтовых вод;

вид загрязнения, класс токсичности поллютанта, площадь и глубину распространения загрязнений, распределение загрязняющих веществ по почвенному профилю, скорость их миграции, уровни загрязнения почвы и воды с учетом вариабильности результатов анализов, оценочную общую массу, объем, растворимость, биодоступность загрязнения и т. п.;

степень закисления поверхностных и подземных вод, почвенного покрова, окислительно-восстановительные условия в контаминированной зоне, аэрированность, содержание общего, аммонийного, нитратного азота, подвижного фосфора и подвижного калия, карбонатов и гидрокарбонатов, состав и общее содержание солей в водных вытяжках, их буферность, щелочность, типоморфные элементы или ионы;

целесообразность использования структураторов и мелиорантов, наличие в близлежащей местности ресурсов природных материалов, различных отходов, пригодных для мелиорации и рекультивации;

наличие и количество микроорганизмов-деструкторов загрязнений на обследуемом участке, их активность, распределение численности по почвенному профилю;

наличие или отсутствие санитарно-показательных микроорганизмов и патогенов для человека, животных и растений;

факторы, которые могут либо неблагоприятно влиять на биологическую активность микроорганизмов-деструкторов, либо способствовать развитию нежелательных микроорганизмов.

Обследованный участок разделяют на зоны по уровню загрязненности.

Категория 1. Чистая почва – концентрация загрязнений ниже порогового уровня. Почва может использоваться для выращивания сельскохозяйственных культур.

Категория 2. Концентрация загрязнений в почве и в выщелаченных растворах ниже порогового уровня. Почва может быть использована для агротехнических или рекреационных целей. Изоляция участка не требуется.

Категория 3. Концентрация загрязнений в почве ниже порогового значения, однако концентрация в дренажных растворах превышает пороговый уровень. Почва может быть использована для агротехнических целей при ограничении доступа на участок.

Категория 4. Концентрация загрязнений выше порогового уровня, но не превышает уровня токсичности для почвенной биоты. Возможно использование биоремедиационных методов очистки. Доступ на участок ограничен.

Категория 5. Концентрация загрязнений выше порогового уровня и превышает уровень токсичности для почвенной биоты. Для первичной очистки возможно использование только небиологических методов. Доступ на территорию ограничен.

2. Выбор метода и технологии ремедиации

После работ по характеристике участка проводятся тестовые лабораторные и пилотные исследования с использованием почвы с загрязненного участка и полевые испытания.

В полном объеме второй этап проводят в три стадии:

Лабораторные эксперименты; используемые объемы образцов из места загрязнения 5–10 кг (5–10 л). Комиссионная оценка испытываемых методов.

Пилотные исследования; используемые объемы образцов из места загрязнения 50–100 кг (50–100 л) или более.

Маломасштабные полевые испытания.

При проведении этих работ важно, по возможности, обеспечивать условия в почвенных средах, аналогичные в контаминированной зоне.

Необходимость предварительных тестовых экспериментов обусловлена:

специфичностью каждого конкретного загрязненного участка (свойства почв, характер загрязнения);

возможной высокой вариабильностью результатов оценки уровня загрязнений в отобранных образцах почвы и воды (коэффициенты вариации данных при определении концентрации загрязнений в одной и той же точке отбора могут достигать 200% и более, что обусловлено как несовершенством методик отбора и подготовки образцов, химического анализа, так и изменчивостью условий в точке отбора);

отсутствием достаточного объема исследований и практического опыта в использовании методов биоремедиации;

необходимостью оценки стоимости очистки, эколого-экономического эффекта, а в случае неблагоприятной оценки биоремедиационного метода – выбором альтернативных вариантов с учетом затрат и требуемого времени.

По мере получения данных возможно корректирование плана отбора проб и уточнение описания участка. При необходимости проводятся дополнительные исследования, результаты обрабатываются с использованием статистических методов, составляются карты уровней и направлений миграции загрязнений,

состояния почвенной биоты с учетом возможной биотоксичности загрязнения и почвенных условий.

3. Разработка схемы и технологии проекта

На этом этапе с учетом результатов, полученных при выполнении первого и второго этапов работы, разрабатываются схема и технология биоремедиации загрязненной среды. Составляются технологическая карта мероприятий, схемы внесения мелиорантов, структураторов, сорбентов, минеральных удобрений, других добавок. Прогнозируются скорость очистки и время биоремедиации, необходимые агротехнические, мелиоративные, технологические, химико-ана- литические, административно-организационные мероприятия, требуемое оборудование и ожидаемые затраты.

4. Подготовительные мероприятия

Этот этап может включать: очистку территории от мусора, растительности; установку и монтаж системы очистки (передвижной насосной станции, разводящих трубопроводов, фильтров, клапанов и задвижек, оборудования для очистки воды и воздуха, контрольно-измерительных устройств), наблюдательных скважин; локализацию загрязнений (например, при разливе нефти), установку боновых ограждений, глиняных экранов; откачку и транспортировку излишков контаминанта в места приема; подготовительные ирригационные, мелиоративные, противоэрозионные и другие агротехнические мероприятия; подготовку биологического объекта; организацию подъездных путей к участку; подготовку рекультивационных площадок; установку ограждений, информационных знаков, запрещающих выпас скота, разведение костров и т. п.

При использовании методов промывки, биостимуляции и биоаугментации ирригационные и мелиоративные мероприятия проводятся с целью улучшения механических и физико-химических свойств почвенной среды, создания благоприятного для биодеструкционной активности водно-воздушного, теплового и кислотно-щелочного режимов почв. Содержание работ различается для почв разного типа и с разной степенью загрязненности. Возможно использование глубинной вспашки, дренирования, рассоления, землевания (покрытие слоем почвы), пескования, известкования, гипсования, внесения структураторов, мелиорантов, сорбентов, органических и минеральных удобрений.

При подготовке к обработке обводненных территорий, торфяно-болотных почв и использовании метода промывки благоприятный водный режим создают с помощью осушения, дренирования. Содержание и объем этих работ зависят от степени заболоченности, путей поступления избыточной влаги, схемы промывки.

При поверхностном увлажнении участка избыточная влага собирается в открытые траншеи, искусственные ложбины, закрытый дренаж и коллекторы. Можно применять выборочное бороздование, формирование гряд и гребней, защитных дамб. Повышению водопроницаемости способствуют крото-

вый и щелевой дренажи, глубокое рыхление, вспашка, внесение структураторов (глубокое мульчирование глин, пескование торфа) и мелиорантов, уменьшение глубины промерзания, ускорение оттаивания почвы.

Для снижения уровня грунтовых вод используются каналы, открытый или закрытый дренаж, разгрузочные скважины, вертикальные щелевые углубления естественных дрен, заиление (кольматаж) поверхности, антифильтрационные завесы, ограничивающие поступление влаги в водоносные горизонты.

Открытые дренажные траншеи обычно делают параллельно друг другу и при минимальном уклоне 0,005 м и длине 800–1500 м. Они выводятся в проводящие каналы под углом 60–90°, в сечении с минимальной шириной по дну 0,4 м, глубиной в зависимости от свойств почвы до 1,5 м. Расстояние между дренами не более 120 м. Для закрытого дренажа применяются керамические, пластмассовые трубы или деревянный дренаж.

Кротовые дрены – система подземных ходов, проложенных с заданным уклоном (не менее 0,002–0,003 м). Щелевой дренаж – вертикальные щели в почве различного размера. Расстояние между дренами зависит от типа почвы, ее гранулометрического состава и характера увлажнения.

Для рассоления загрязненных почв, предупреждения вторичного засоления и, как следствие, возникновения дополнительной экологической проблемы, в частности в регионах с засушливым климатом, используется дренаж, сброс минерализованной воды и дополнительные периодические промывки почв. Для промывки пригодна вода с концентрацией солей до 1 г/л. Особенно нежелательно присутствие в воде Na2CO3. Вода большинства поверхностных источников, которая может быть использована для орошения и промывки, содержит 0,2–0,3 г/л солей.

В редких случаях для ускорения вымывания солей из засоленных почв тяжелого гранулометрического состава возможна обработка почвы серной кислотой, электромелиорация (на почву накладывают электрическое поле: электрод сверху и электрод на глубине, что приводит к ускорению подтока солей к электродам).

Из широко применяемых в сельском хозяйстве противоэрозионных мероприятий для ремедиации загрязненных почв используется контурная вспашка и террасирование на склонах. Контурная вспашка проводится перпендикулярно склону. В результате вода задерживается в бороздах, предотвращается поверхностный сток и эрозия. Террасирование – это оформление склонов в виде ступеней. Для предупреждения распространения загрязнений ветровой эрозией в системе ремедиационных мероприятий могут предусматриваться лесозащитные полосы, т. е. посадка рядов деревьев, кустарников вокруг загрязненных территорий, а также внесение органических структураторов и мелиорантов. В обогащенной органическим веществом и структурированной почве поверхностный сток легче переводится во внутрипочвенный и эрозионные процессы протекают менее интенсивно. В настоящее время разработаны полимерные структурообразователи и закрепители грунта, которые могут использоваться в качестве противоэрозионных средств. Эти материалы достаточно пористые, проницаемые для корней растений и не содержат токсичных веществ.

Из мелиоративных мероприятий наиболее часто применяются гипсование и известкование, пескование, внесение органических и минеральных удобрений.

Если почва имеет щелочную реакцию, то ее предварительно нейтрализуют химическими мелиорантами, обычно гипсом. Возможно использование и отработанной серной кислоты, сульфатов железа с последующей промывкой водой и удалением избыточного количества солей. Для повышения pH в кислых почвах применяют известкование. Такой прием приводит к уменьшению подвижности тяжелых металлов, одновременно повышает скорость микробной деградации органических веществ и в то же время высвобождение органических ксенобиотиков. На тяжелых глинах эффективно добавление силикатов (песка и других материалов), улучшающих механическую структуру почв, условия аэрации, доступность фосфатов и других биогенных веществ. Для уменьшения потери влаги от испарения с поверхности почвы применяют мульчирование.

Внесение органических материалов, удобрений не только улучшает структуру почв, но и обеспечивает микроорганизмы доступными источниками углерода и энергии, минеральным азотом, что активирует их деятельность. При использовании удобрений при биоремедиации важно поддерживать оптимальное соотношение углерода и азота в почвах, контролировать химическое, биологическое и санитарно-гигиеническое состояние почв. Применяемые удобрения должны соответствовать нормам по содержанию токсичных веществ, тяжелых металлов, патогенных микроорганизмов.

5.Проведение ремедиационных работ

6.Депонирование осадков, отходов, демонтаж установки

Содержание работ на этапах 5 и 6 определяется конкретными условиями и выбранным методом очистки. Более подробно они охарактеризованы в разделе 5.4 на примере фиторемедиации загрязненных сред и в главе 7 при рассмотрении очистки природных сред от нефти и нефтепродуктов.

7. Рекультивационные работы. Мероприятия по восстановлению ландшафта. Фитомелиорация

В современной системе очистки почв и восстановления загрязненных территорий рекультивация используется на финишных стадиях проводимых мероприятий (см. разд. 4.5.3, 7.5). Она может включать:

пробный посев культур для оценки фитотоксичности почв, интенсификации процессов биодеградации, улучшения агрофизических свойств почвы;

мелиоративные мероприятия: глубокая вспашка, приводящая к рассеиванию токсичных веществ, известкование, внесение материалов, сорбентов (активные угли, цеолиты), способных связывать остаточные количества загрязнений в малоподвижные формы и снижать их поступление в растения; в водоемах для снятия остаточных загрязнений применяют экологически чистые гидрофобные сорбенты: торф, вермикулит и др.; возможно применение различных удобрений, бактериальных препаратов, способствующих восстановлению функций почв; ландшафтовосстанавливающие мероприятия: выравнивание поверхности, террасирование, планировка и формирование откосов, снятие,