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

Особые требования предъявляются к технологиям обезвреживания территорий от нефти и нефтепродуктов в условиях города. В этих случаях необходимы оперативный сбор нефтепродуктов с загрязненных площадей и своевременное устранение последствий от попадания нефтепродуктов в водоемы или почву.

7.5.Проведение ремедиационных и рекультивационных работ при загрязнении поверхности водоемов и почв

Проведение ремедиационных и рекультивационных работ включает ряд последовательных этапов. На рис. 7.2 приведено содержание основных этапов работ при очистке поверхности водоемов и почв от нефти и нефтепродуктов с использованием механических, сорбционных и биологических методов.

Э т а п I . Первый, предварительный этап – «Оценка площади, объема и степени загрязнения»

Включает проведение совместно с региональным органом по охране природы первичной экологической аттестации объекта работы: определяются уровни загрязнения почв, грунтов, водоемов по глубине и по площади; оцениваются инженерно-геологические и климатические условия; с учетом сроков ликвидации загрязнения выбираются последовательность этапов, основные и вспомогательные очистные мероприятия и технология очистки, привлекаемая техника.

Для оценки площади, объема и степени нефтезагрязнения проводятся:

топографическая съемка (составление топографических карт). Если загрязнение произошло на большой территории в труднодоступном месте, осмотр загрязненной территории проводят с воздуха; буровые работы (уточнение геологического разреза и положения уровня грунтовых вод);

визуальная оценка и первичное обследование загрязненного участка; для загрязненных участков земли оцениваются рельеф, растительность, грунты, размеры загрязнения по площади и глубине почвенных слоев, очаги поступления загрязнений, направления распространения загрязнений; для загрязненных водоемов определяется наличие нефти и нефтепродуктов на поверхности воды и берегах, в донных отложениях, температура поверхностных и придонных слоев, прозрачность воды, pH, глубина водоема, содержание кислорода в поверхностном и придонном слое воды;

оценка фитосанитарного состояния территорий, характеристика типа естественной растительности, характера возможных фитомелиорационных работ;

отбор исходных проб почвы, грунта, воды, донных отложений и химикоаналитические измерения для оценки структуры, свойств и агрохимического состояния почвы, грунта, состава и свойств воды. Отбор осуществляется согласно нормативным документам.

В отобранных пробах определяется содержание нефтепродуктов, наличие питательных элементов (азота, фосфора, калия), рН, проводятся микробиологические исследования (определяется общее микробное число, содержание углеводородокисляющих микроорганизмов), для водоемов дополнительно дается количественная и качественная характеристика гидробионтов (макрозообентос, зоопланктон, фитопланктон).

Содержание работ из перечисленного выше перечня и их объем на первом этапе зависят от характера и масштаба загрязнения, имеющихся возможностей и времени.

По результатам работ первого этапа указывается месторасположение очищаемого объекта, дается его краткая характеристика, проводится зонирование по уровням загрязнения, разрабатывается план мероприятий, согласованный с органами санитарно-эпидемиологического надзора, выбирается технологическая схема и составляется технологическая карта очистки объекта с первоочередной очисткой наиболее загрязненных зон (см. табл. 7.2, стр. 741), даются прогнозные оценки динамики рекультивационного процесса. Загрязненный участок оконтуривается информационными знаками о необходимости соблюдения техники безопасности, пожарной безопасности, запрещающими выпас скота, разведение костров и т. п.

Площадь, глубина залегания, объем, степень загрязнения, агрохимическое состояние почв (грунтов), а также химические параметры воды уточняются на основании лабораторных исследований. Оценка проводится по общепринятым методикам в соответствии с нормативными документами.

Фитосанитарное состояние можно оценить визуально и по уровню фотосинтетической активности растений. При уровне фотосинтетической активности не ниже 40–60% по сравнению с контролем (незагрязненным участком) велика вероятность адаптации растений к загрязнению и возобновлению их роста.

По результатам микробиологических исследований определяют целесообразность применения специализированных биопрепаратов нефтедеструкторов.

Рис. 7.2. Основные этапы работ при очистке от нефтезагрязнений

При наличии ресурса времени в модельных экспериментах и с учетом местных климатических условий, типа почвы и т. п. проводят тестирование биопрепаратов для их выбора из предлагаемого ассортимента, определения оптимальной дозы и прогнозирования скорости биодеградации углеводородов.

Э т а п I I . Локализация нефтезагрязнений и устранение причин, их вызывающих

Локализация нефтезагрязнений проводится с целью предотвращения распространения нефти или нефтепродуктов по поверхности воды или рельефу на сопряженную турриторию. При аварийных нефтяных разливах необходимо оперативно, желательно в течение первых 2–3 суток с момента аварии, и надежно локализовать разлив нефтезагрязнения в пределах минимально возможной площади с целью максимального сбора нефти и проведения последующих восстановительных работ.

Для предотвращения растекания нефтепродуктов по рельефу местности обычно применяется обваловка из местного грунта, возводимая вокруг образовавшихся разливов вручную или с применением техники. С целью предотвращения попадания нефтепродуктов в подземные воды внутри обваловки их можно связать сорбентами. Тип используемого сорбента выбирается с учетом сезона. Так, в зимнее время такие сорбенты, как мелкодисперсный торф, неэффективны, целесообразнее использовать неорганические материалы (вермикулит, вспученный перлит и др.).

Загрязненный болотистый участок оконтуривают траншеями шириной 1–2 м, производят его обваловку торфяным валом, либо отрывают направляющие траншеи и борозды к общей приемной яме. Затем смывают загрязнение в подготовленные траншеи, ямы или естественные места сбора. В случае опасности размывания обваловки, например весеннепаводковыми водами, используют боновые направляющие.

Внепроточных водоемах больших размеров нефтезагрязнения локализуются бонами или досками, расположенными по периметру пятна загрязнения.

Впроточных водоемах локализация нефтезагрязнений проводится по следующей схеме. Первоначально перегораживается верхняя часть течения водотока бонами или плотинами для удержания нефтепродуктов. Боны могут иметь сетчатое полимерное покрытие и внутренний поплавок, между которыми располагается сорбционный материал, систему подкачки воздуха с автономным переносным компрессором и калорифером. Конструктивные особенности обеспечивают плавучесть бонов при полном их насыщении и возможность использования при отрицательных температурах. В качестве плотин могут использоваться доски, погруженные на 10–15 см в глубину водотока и возвышающиеся над уровнем воды на 10–15 см. Обычно такие заграждения устанавливаются в местах сужения водотока на всю его ширину. При невозможности полного перекрытия потока широкого водотока устанавливаются доски или боны под углом

кводотоку, один конец которых закрепляется на берегу, другой удерживается якорем (грузом) на дне. Если одна такая перегородка не удерживает весь поток нефтепродуктов, устанавливаются дополнительные заграждения ниже по тече-

нию. Для перехвата нефтепродуктов, движущихся по дну или во взвешенном состоянии, поток перегораживается шандорами, представляющими металлический или деревянный короб, заполненный сорбентом, обеспечивающий проход воды, но удерживающий нефтепродукты.

Внефтедобывающих регионах для снижения риска загрязнения малых рек

иручьев последние перегораживаются стационарными гидрозатворами. Гидрозатвор (нефтеловушка) – гидротехническое сооружение для перекрытия водотоков с целью предотвращения распространения аварийных разливов нефти и сбора ее в отстойники перед плотиной. Основным сооружением гидрозатвора является земляная плотина. Для пропуска воды через створ плотины в ее теле закладывают водопропускные трубы, которые устанавливаются с таким расчетом, чтобы вода отводилась из среднего слоя. Нефть, плавающая на поверхности воды, задерживается плотиной; нефть, перемешанная с грунтом, оседает на дне, в зоне отстаивания перед плотиной (в верхнем бьефе образовавшегося водохранилища-отстойника). Для сбора нефти предусматривается устройство площадок и подъездов к плотине. Такое водопропускное сооружение обеспечивает практически полное задерживание нефти, осевшей на дне в верхнем бьефе,

иснижение содержания нефтепродуктов в воде после плотины (в нижнем бьефе) в 2–16 раз. Одновременно гидрозатвор защищает низовье реки или ручья от попадания песчаных наносов, древесины и мусора. Наиболее ответственным периодом эксплуатации гидрозатворов является весенний паводок. В такие периоды для предотвращения попадания нефтезагрязнений в низовье реки или ручья при подготовке к паводку удаляют лед из труб, очищают от снега поверхность, собирают нефть, находящуюся подо льдом и т. д.

Мероприятия по локализации загрязнений должны гарантированно обеспечивать защиту рабочего участка от повторного нефтяного загрязнения, сводящего на нет все прикладываемые усилия при дальнейшем проведении очистных работ.

Э т а п I I I . Предварительная очистка (техническая рекультивация)

Задачами предварительной очистки или технической рекультивации загрязненной территории являются удаление нефти техническими средствами и подготовка объекта к биологической очистке.

Предварительная очистка поверхности загрязненной почвы предусматривает сбор загрязненной растительности (кусты, деревья), крупного бытового и технического мусора. При высокой степени загрязнения с поверхности почвы откачивают свободные нефтепродукты и снимают сильнозагрязненный (степень загрязнения более 20–50 г на 1 кг почвы) слой грунта, который складируется в специальных отвалах, обвалованных землей котлованах (амбарах) и/ или вывозится на рекультивационные площадки для обработки биологическим способом.

При загрязнении снега его собирают и транспортируют в амбары или в специально обвалованные гидроизолированные водоемы технического назначения. В весенне-летний период всплывшие на поверхность нефтяные углеводороды собирают, а остаточное загрязнение обрабатывают методами, используемыми для очистки водоемов и резервуаров.

После откачивания оставшийся на водной поверхности слой нефтепродуктов толщиной не более 3 см можно собрать сорбентами. Сорбенты наносятся на загрязненную поверхность любым механизированным или ручным способом с плавсредств (маломерные суда, лодки, плоты, понтоны). Очистка сорбентом проводится до образования радужной пленки из нефтепродуктов толщиной 0,1–0,001 см.

После насыщения нефтепродуктами производится выемка сорбента. Для этого, например, можно стягивать боновое заграждение, концентрируя и извлекая отработанный сорбент с поглощенной нефтью с поверхности воды вблизи места, удобного для сбора. Для выборки вручную используются сачки из металлической сетки с мелкими ячейками. Отработанные сорбенты вывозятся на рекультивационную площадку, сжигаются или обезвреживаются вместе с нефтезагрязненными почвогрунтами биологическим способом.

Для удаления разлившейся нефти с поверхности почв или болот, оставшейся после сбора основной ее массы, эффективны торфяные маты. Такие маты могут использоваться многократно (до 12–15 раз), удобны для быстрого развертывания на свежих разливах и при последующем сборе нефтезагрязнения, в отличие от рассыпных форм сорбентов. Полезно и мульчирование загрязненной поверхности тонким слоем (3–5 см) высушенной торфяной (сфагновой) крошкой, с помощью лесопожарных грунтометов.

Обработка сорбентами снижает остаточную концентрацию нефти в поверхностном почвенном слое, улучшает ее механическую структуру и создает более благоприятные условия для развития аборигенной микрофлоры на рекультивируемом участке. Работы по сбору нефтепродуктов с мест их накопления обычно проводятся не разово, а периодически, на протяжении всего этапа предварительной очистки до начала стадии биологической рекультивации.

Нефтепродукты, собранные с поверхности водоема, можно использовать по целевому назначению после отделения взвешенных веществ и воды.

Нефтезагрязненные донные отложения, собранные со дна водоема механическими способами, очищают на рекультивационных площадках биологическим способом совместно с нефтезагрязненными почвами.

Остаточные, рассеянные нефтезагрязнения поверхности воды, прибрежной полосы, водной и береговой растительности, донных отложений могут быть устранены биологическими методами (при стимулировании аборигенной микрофлоры или с использованием биопрепаратов).

Э т а п I V а . Биологическая очистка – метод биостимулирования

Очистка загрязненных почв методом биостимулирования предусматривает проведение комплекса агротехнических мероприятий, стимулирующих активность аборигенных углеводородокисляющих микроорганизмов. При очистке нефтезагрязненных почв и грунта, как правило, использование метода биостимулирования начинается только при снижении концентрации нефти или нефтепродукта до 60–100 г/дм3. Биологическая очистка почв, богатых органикой, может начинаться при более высоком содержании нефтезагрязнений, чем при очистке песчаных почв.

На первом этапе проводят рыхление почвы тракторами с подвесными орудиями (плуги, бороны, культиваторы), фрезой, дискованием и при необходимости ее увлажнение. При небольших площадях загрязнения используют подручные средства (лопаты, грабли и т. п.).

Рыхление обеспечивает аэрацию почвы, а также физическое выветривание легких фракций нефти, что приводит к уменьшению токсичности нефтяных загрязнений по отношению к почвенной микрофлоре. В то же время рыхление обеспечивает равномерное распределение компонентов нефти и нефтепродуктов в почве, разрушает смолисто-асфальтеновую корочку на участках с застарелым загрязнением, увеличивает поверхность контакта с микрофлорой, почвенной влагой и воздухом. Для того чтобы задерживающиеся на поверхности смолы и асфальтены нефти, труднодоступные микробиологическому воздействию, не попадали в глубинные почвенные горизонты, рыхление производится без оборота пласта. На заболоченных участках для улучшения аэрируемости почвы создают искусственный микрорельеф из чередующихся продольных микроповышений (бугров) и микропонижений (канавок). Такой «гривистый» рельеф формируют с помощью клинообразного устройства, раздвигающего верхний торфяной слой без переворачивания торфяной залежи. Это создает условия для быстрого возобновления мохово-травянисто-кустарничкового покрова и позволяет избежать возможного захоронения нефти в торфяной массе.

При свежих разливах нефти и нефтепродуктов, содержащих высокие концентрации токсичных легколетучих компонентов и отрицательно влияющих на биодеструкцию, рыхление проводится многократно в течение двух-трех недель.

При содержании нефти более 5 г/кг для лучшей аэрации осуществляют рыхление загрязненного слоя почвы при глубине проникновения нефти не более 15 см. Если глубина проникновения превышает 15 см, то необходима последовательная обработка слоев почвы с их срезанием и сбором. Для создания благоприятного водно-воздушного режима в очищаемые глинистые и суглинистые почвы вносятся структураторы, такие как древесная стружка, кора, солома, опилки, зерновая шелуха, песок, торф и т. п. Структуратор вносится в количестве 50–85 кг на 1 м2 (при глубине обработки не более 0,5 м). С целью разбавления высоких концентраций нефтезагрязнений (свыше 50 г/кг) применяются такие структураторы, как песок, вермикулит, перлит и др. Для сохранения тепла в почве (особенно это важно в весенний и осенний периоды) используются растительные структураторы: древесная кора, опилки, солома, торф, обладающие низкой теплопроводностью. На участках небольшой площади для этой цели можно применить покрытие из темной полиэтиленовой пленки при условии достаточного воздухообмена под пленкой.

После рыхления отбирают пробы почвы (грунта) для уточнения рН среды, концентрации нефтезагрязнений и фонового содержания основных элементов питания микроорганизмов.

При существенном отклонении значения рН среды от нейтрального в загрязненные среды в количестве до 2000–3000 кг/га вносятся мелиоранты: в кислые почвы и грунты (рН < 5,0) – известь, доломитовая мука или туф. Известь снижает также подвижность токсичных веществ, содержащихся в нефти. Для

нейтрализации щелочной среды, характерной для солончаков и солонцовых почв (рН > 8,0), вносится гипс.

После проведения пропашных работ и внесения мелиорантов готовится раствор минеральной подкормки. В соответствии с расчетом оптимального соотношения С : N, С : P, С : K, проведенным на основании стехиометрических коэффициентов уравнения окисления нефтяных загрязнений и с учетом возможного прироста биомассы нефтедеструкторов, для полного окисления микроорганизмами 1 т углеводородов требуется 50–60 кг азота, 40–50 кг фосфора, 25–30 кг калия. При проведении полевых работ эти величины существенно ниже. Они могут корректироваться с учетом результатов анализа содержания доступных форм азота, фосфора, калия в загрязненной почве при условии доведения недостающего количества элементов питания до оптимальной концентрации. Для приготовления рабочих растворов минеральных солей используют минеральные удобрения, применяемые в сельском хозяйстве: азотные, фосфорные, сложные азотно-фосфорные (аммофос, диаммофос), калийно-магниевые, азотно-фосфорно-калийные (аммофоска, диаммофоска). Количество их определяют исходя из расчетов доз требуемых элементов питания и их содержания в удобрении. В пересчете на диаммофос при содержании нефти в почве 2–3% стартовая доза удобрений составляет 20–50 кг диаммофоса на га. После внесения удобрений в почву проводится тщательный полив почвы.

В качестве источника биогенных элементов могут быть использованы органические отходы, например навоз, отработанные пивные дрожжи, активный ил очистных сооружений (при условии содержания в иле вредных примесей, в частности тяжелых металлов, патогенных микроорганизмов, ниже допустимых уровней), биомасса синезеленых водорослей, а также продукт вермикомпостирования – биогумус. Для этих же целей можно использовать отходы растениеводства, пищевой и перерабатывающей промышленности, компосты, растительные настои, почвенные вытяжки и т. д. Их вносят перед рыхлением почвы. Количество дополнительно вносимых органических материалов составляет для компостов и навоза до 10%, для других органических материалов – до 20% от объема загрязненной почвы. При использовании органических отходов необходимо принимать во внимание санитарно-гигиенические требования, предъявляемые к органическим веществам, применяемым в качестве удобрений в сельскохозяйственном производстве.

В процессе ремедиации проводятся регулярное рыхление почвы (1 раз в 3–4 недели) и полив (не менее 2 раз в неделю при средней норме полива 10–12 л/м2). В жаркую, солнечную погоду полив проводится в вечернее время для предупреждения сильного испарения воды. Для полива могут использоваться поливочно-моечные машины, пожарные автонасосы и автоцистерны.

Перед рыхлением при необходимости вносится минеральная подкормка (при использовании раствора диаммофоса из расчета 20–50 кг диаммофоса на 1 га загрязненной почвы при исходном уровне загрязнения не более 2–3%). Необходимость внесения и количество минеральной подкормки уточняются по результатам анализа проб почвы с учетом расчетного соотношения углерода загрязнения к азоту и фосфору. Контроль за содержанием питательных элементов

в почве проводится один раз в 3–4 недели. Суммарное количество вносимых удобрений должно увеличиваться с повышением степени загрязненности почвы, однако обычно не превышает 400–500 кг/га. Избыток минеральных удобрений оказывает негативное воздействие на почвенную микробиоту. При высоком содержании часть минеральных удобрений вымывается в естественные водотоки, загрязняя поверхностные водоемы.

Нарядусмелиорантами, структураторами,минеральнымиудобрениямивнефтезагрязненную почву вместе с раствором минеральной подкормки, с поливной водой или с помощью пневматических агрегатов могут вноситься поверхностноактивные вещества. Они диспергируют углеводороды нефти в почве, улучшают их контакт с почвенными микроорганизмами, повышая тем самым скорость биодеструкции. Для целей биоремедиации подходят не все ПАВ, а лишь те, которые не влияют отрицательно на микроорганизмы-нефтедеструкторы и не являются фактором дополнительного загрязнения. С учетом экологических требований перспективно применение природных биоэмульгаторов, которые разлагаются микроорганизмами одновременно с биодеструкцией углеводородов.

С помощью метода биостимулирования можно очищать и сильно контаминированные почвы. Для очистки таких почв предложена комплексная технология (разработчик – российская фирма ООО НТО «Приборсервис», г. Томск), включающая проведение агромелиоративных мероприятий, систему рационального использования минеральных удобрений, внесение материаловмелиорантов с помощью специально разработанных технических средств (экологические машины ЭМ-2М, ЭМ-4М, ЭМ-3Ш, ЭМ-5).

В качестве мелиоранта в данной технологии используются природные цеолиты ряда месторождений (см. разд. 4.3.2.1), содержащие до 70% клиноптилолита, а в качестве сопутствующих минералов – монтмориллонит, кварц, полевой шпат, опал, вулканическое стекло и т. д. При этом клиноптилолиты являются особо ценной разновидностью высококремнистых цеолитов с соотношением кремнезема к глинозему от 3,5 до 10,5 и содержат в среднем 60% диоксида кремния. У клиноптилолита диаметр входных окон в полости равен 0,4 нм. Было показано, что внесение таких цеолитов не только улучшает структуру почв, стимулирует активность углеводородокисляющих микроорганизмов, но и оказывает стимулирующее влияние на азотфиксаторов, что активирует процессы самоочищения, восстановления биологических функций почв. Для предотвращения подавления процессов азотфиксации в почве и других биологических функций высокими дозами минеральных удобрений, которые требуются для биологического окисления нефтяных загрязнений, разработана схема внесения цеолитов и удобрений с учетом характера и динамики естественных микробиологических процессов, протекающих в очищаемой почве.

Цеолиты вносятся в почву в сухом виде в количестве от 1 до 3 т/га в зависимости от степени загрязнения почвы. При высокой степени загрязнения проводят повторное внесение минерала-мелиоранта в количестве 1–1,5 т/га с последующим рыхлением почвогрунта. Одновременно с минералом-мелиорантом вносятся минеральные удобрения, источники азотного и фосфорного питания. Учитывая, что внесенные в почву цеолиты стимулируют активность азотфик-