Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Экологическое нормирование и природоохранная отчетность. Учебное пособие
.pdf
41
природной матрицы (грунтовой воды или почвы). В химическом про-
цессе химическая структура (а вслед за ней поведение) загрязнителя
изменяется посредством инициирования химических реакций с целью
получить менее токсичные или легче отделяемые от почвенной матрицы соединения. В термических процессах используют теплоту, чтобы
увеличить летучесть, сжечь, разрушить или расплавить загрязнения и
иммобилизовать их в новой матрице.
Воздействие на загрязнение осуществляют в разных формах:
1. Уничтожение загрязнителя в результате полного биологического
или (и) физико-химического разложения (например, воздействием высокой температуры при термической обработке).
2. Удаление загрязнения:
а) в некотором процессе межфазного переноса-мобилизации и вы-
свобождения из природной матрицы (например, при его вымывании
или сорбции);
б) в некотором процессе концентрирования и извлечения-сбора
(например, при физической сепарации);
в) при использовании комбинации методов (например, биологиче-
ских и химических).
3. Возврат загрязнителя в технологический цикл: является, очевидно, «предельной» формой удаления загрязнения.
4. Стабилизация загрязнения, при которой оно остается в почве, но
принимает менее подвижную и менее токсичную форму; иногда стабилизацию осуществляют в некоторой комбинации биологических, химических и физических процессов (применяют «цепочку» обработки).
5. Герметизация загрязнения: когда загрязненная природная матрица изолируется некоторым способом, который предотвращает воздействие загрязнителя на ближайшее окружение загрязненного участка.
6. Иммобилизация, при которой загрязнения переводят в менее до-
ступные соединения в некотором процессе переноса или при добавлении иммобилизующих реагентов.
5.2. Факторы, влияющие на применимость технологии
восстановления почв
В табл. 5 собраны факторы, влияющие на выбор определенной
технологии восстановления некоторой загрязненной территории. Эти
виды деятельности сильно различаются для разных технологий восстановления и, конечно, образуют существенный вклад в стоимость
проекта восстановления загрязненной территории.
42
Таблица 5. Факторы, влияющие на применимость
технологии восстановления почв
Управление рисками, связанными
с загрязнениями
□ управление источником загрязнения, т. е. осуществление мер
по восстановлению участка, состоящих либо в устранении источника загрязнения, либо в модификации загрязнения;
□ управление путями распространения загрязнения, т. е. при-
нятие мер по снижению способности данного источника загрязнения создавать угрозы для рецепторов: либо ингибированием самого источника, либо воздействием на пути распространения загрязнения при изменении его характеристик;
□ управление рецепторами − объектами окружающей среды,
попадающими под воздействие загрязнения
Обрабатываемые
загрязнители и
материалы
□ загрязнитель (и);
□ область концентраций;
□ распределение по фазам;
□ источник и его возраст;
□ объемные характеристики загрязненного участка;
□ геохимия, геология, микробиология.
Метод восстановления
□ тип восстановления территории (сдерживание − «закрывание»
источника, обработка источника: биологическая, химическая и
т.п.);
□ сильные и слабые стороны выбранной технологии восстанов-
ления
Место обработки
почвы
Расположение места обработки загрязненной почвы (in situ или ex
situ, on site или off site)
Общая стратегия
□ интегральный/комбинированный подходы к решению задачи;
□ активные и пассивные мероприятия;
□ долговременная стратегия с низким вводом энергии или реа-
гентов («экстенсивная») или кратковременная стратегия с высоким вводом («интенсивная»);
□ применение установленных мер (например, запланированных
мероприятий, контролирующих процесс очистки, в ходе долговременных операций восстановления)
Реализация выбранного метода
восстановления
(состоит в применении процессов восстановления к выбранному участку)
□ планирование операций восстановления;
□ управление участком (его подготовку);
□ исследование техники реализации;
□ мониторинг процесса выполнения и эффектов воздействия на
окружающую среду;
□ исследование восприятия технологии населением и отношений
с соседями (сообщения о рисках и восприятие рисков);
□ осуществление стратегии адаптации в случае изменившихся
или неожиданных обстоятельств, т. е. гибкость технологии;
□ проведение дополнительных мероприятий после осуществле-
ния операции восстановления территории.
5.3. Биохимические методы очистки техногенных
и нарушенных территорий
Особенности биохимических методов [6]:
1) биоразложение загрязнений за счет метаболической активности
43
микроорганизмов;
2) завершается полной минерализацией или частичным раз-
ложением как в аэробных, так и в анаэробных условиях;
3) чтобы ускорить биоразложение, прибегают к стимулированию
природных микроорганизмов.
В дальнейшем изложении будут использованы следующие обозначения: ех − обработка выкопанной загрязненной почвы (ex situ), in −
обработка самого загрязненного участка (in situ). В табл. 6 указаны
загрязнения, удаляемые из почв по выбранному типу биотехнологии.
Таблица 6. Уничтожение загрязнений биологическими методами
Технология
Главные целевые
загрязнения*
Продолжительность
очистки**
Бионасыпи (ех)
ПЛОС, ЛОС, Х-ПЛОС,
Х-ЛОС, ПАУ
< 6 месяцев
Биовосстановление в жидкой
фазе − биовзвесь (ех)
ПЛОС, ЛОС, Х-ПЛОС, Х-
ЛОС, ПАУ, Диокс./Фур.,
Пест.
6+12 месяцев
Биовентилирование (in)
ПЛОС, ЛОС, Х-ПЛОС,
Х-ЛОС, ПАУ
< 6 месяцев
Компостирование (ех)
ПЛОС, ЛОС
6+12 месяцев или
более
Усиленное биовосстановление (in)
ПЛОС, ЛОС, Пест.
6+12 месяцев
Биовосстановление в твердой
фазе − обработка с участием
верхнего слоя почвы (ех)
ПЛОС, ЛОС, Х-ПЛОС,
Х-ЛОС, ПАУ, Пест.
>12 месяцев
Отслеживаемое естественное
затухание загрязнения (in)
ПЛОС, ЛОС
> 12 месяцев
Фитовосстановление (in)
ПЛОС, ЛОС, неорганиче-
ские вещества, ТМ
>12 месяцев
Обозначения: * ЛОС − летучие органические соединения; ПЛОС − полулетучие органические соединения; Х-ЛОС − галогенированные летучие органические соединения; Х-ПЛОС — галогенированные полулетучие органические
соединения; ПХБ − полихлорированные бифенилы; Диокс./Фур. − диоксины/фураны; ПАУ − полиароматические углеводороды; Пест. − пестициды; ТМ
− тяжелые металлы. ** Время относится к стандартной массе в 20 000 т
Преимущества биохимических методов:
1) биоразложению поддаются многие органические соединения;
2) биологические процессы применимы во всех средах;
3) в таких процессах образуется мало или вообще не образуются
остаточные соединения;
4) позволяют проявлять гибкость при проектировании системы;
5) стоимость таких процессов меньше стоимости других технологий.
Ограничения:
1) как правило, биологические процессы неприменимы к неорга-
44
ническим загрязнениям;
2) являются медленной обработкой загрязненной почвы;
3) биологические методы требуют подробного изучения участка;
4) эти методы ограничены особенностями участка.
Виды технологий биологического восстановления: 1) бионасыпи
(ех); 2) биовосстановление в жидкой фазе − с образованием биовзвеси
(bioslurry) (ех); биовентилирование (in); 4) компостирование (ех);
5) усиленное биовосстановление (in); 6) биовосстановление в твердой
фазе − обработка загрязненной почвы (ила) с участием поверхности
здоровой почвы на выделенном участке (landfarming) (ex); 7) отслеживаемое естественное ослабление загрязнения (его рассеяние и разложение) (in); 8) фитовосстановление (in).
5.4. Физико-химические технологии очистки техногенных
и нарушенных территорий
Особенности физических технологий [6]:
1) используются физические свойства загрязнителей или загряз-
ненной среды;
2) запускается физический механизм фазового переноса загрязне-
ния;
3) никакой модификации химической структуры загрязнителя не
происходит.
Преимущества: 1) быстрота обработки; 2) обрабатываются множество загрязнителей; 3) применимость ко всем средам; 4) требуется
меньшая характеристика места загрязнения; 5) более низкая относительная стоимость.
Ограничения: 1) зачастую процесс не устраняет загрязнение, а
лишь переносит его; 2) остатки загрязнителя требуют дополнительной
обработки; 3) имеются ограничения, налагаемые особенностями загрязненного участка.
Преимущества химических технологий [6]:
1) химические процессы характеризуются быстротой обработки;
2) в них уничтожаются множество загрязнителей;
3) химические процессы применимы ко всем средам.
Ограничения: 1) химические процессы требуют подробного описания загрязненного участка; 2) имеются ограничения, налагаемые особенностями загрязненного участка; 3) остатки загрязнений после применения выбранной технологии требуют дополнительной обработки.
Виды физических и химических технологий: 1) системы регулиру-
емого захоронения загрязненной почвы с ее укрыванием (in или ех);
2) химическое дегалогенирование почвы (удаление хлорорганических
45
соединений) (ех); 3) электрокинетическое восстановление загрязненной почвы (in); 4) экстракция почвы паром (SVE) (in или ех); 5)
промывание почвы на месте загрязнения (flushing) (in); 6) отмывание
извлеченной почвы (washing) (ех); 7) окисление загрязнений в извлеченной почве водой в сверхкритическом состоянии (ех); 8) экстракция извлеченной почвы растворителем (ех); использование сольватированных электронов при обработке извлеченной почвы (ех); 10)
удаление токсикантов обработкой извлеченной почвы на солнечном
свету (ех); 11) отверждение или стабилизация загрязненной почвы (in
или ех). Характеристики физических и химических технологий приведены в табл. 7 (обозначения для загрязнений те же, что и в табл. 6).
Время очистки относится к стандартной массе в 20 000 т.
Таблица 7. Уничтожение загрязнений физическими
и химическими методами
Технология
Главные целевые
загрязнения
Продолжительность
очистки
Системы захоронения отходов с
их укрыванием (in или ех)
Все типы загрязнителей
Не измеряется
Химическое дегалогенирование
загрязнителя (ех)
Х-ЛОС, Х-ПЛОС, ПХБ,
Диокс./Фур.
< 6 месяцев
Электрокинетическое восстановление (in)
ТМ, ПЛОС
6-12 месяцев
Экстракция почвы паром (SVE)
(in или ех)
Х-ЛОС, Х-ПЛОС
6-12 месяцев
или более
Промывание почвы на месте (in)
Х-ЛОС, Х-ПЛОС, ПАУ,
ТМ
6-12 месяцев
Отмывание извлеченной почвы
(ех)
Х-ЛОС, Х-ПЛОС, ПАУ,
ТМ, ПХБ, Пест.
6-12 месяцев
Окисление водой в сверхкритическом состоянии (ех)
Х-ЛОС, Х-ПЛОС, ПХБ,
Пест.
< 6 месяцев
Экстракция растворителем (ех)
Х-ЛОС, Х-ПЛОС, ПАУ, ТМ,
ПХБ, Пест., Диокс./Фур.
6-12 месяцев
Использование сольватированных электронов (ех)
Х-ЛОС, Х-ПЛОС, ПХБ,
Диокс./Фур., Пест.
< 6 месяцев
Удаление токсикантов обработкой на солнечном свету (ех)
Х-ЛОС, Х-ПЛОС, ПАУ,
ТМ, ПХБ, Пест., Ди-
окс./Фур.
6-12 месяцев
Отверждение или стабилизация
(in или ех)
ТМ, ПАУ, ПХБ, Неорга-
нические загрязнения
6-12 месяцев
или более
5.5. Термические технологии очистки техногенных
и нарушенных территорий
Их преимущества заключаются в следующем:
1) быстрая обработка отхода − загрязненной почвы;
2) технологии применимы к органическим загрязнениям;
46
3) технологии применимы к твердым отходам;
4) значительное снижение объемов.
Ограничения:
1) технологии не применимы к неорганическим загрязнениям;
2) технологии не применимы к жидким и газообразным средам;
3) остатки загрязнений требуют дополнительной обработки;
4) эффективность зависит от загрязнителя (контролируется им);
5) относительная стоимость выше стоимостей других технологий.
Типы термических технологий: 1) системы сжигания (ех); 2) системы термической десорбции (in или ех); 3) пиролиз (ех); 4) системы,
использующие плазменную дугу (ех); 5) остекловывание (in или ех).
Характеристики термических технологий приведены в табл. 8 (обозначения для загрязнений те же, что и в табл. 6). Время очистки относится
к стандартной массе в 20 000 т.
Таблица 8. Удаление загрязнений термическими методами
Технология
Главные целевые
загрязнения
Продолжительность
очистки
Системы сжигания загрязнений
(ех)
Х-ЛОС, Х-ПЛОС, ПАУ,
ПХБ, Пест., Диокс./Фур.
< 6 месяцев
Системы термической десорбции
(in или ех)
ЛОС, Х-ПЛОС, ПАУ,
ПХБ, Пест., Диокс./Фур.
6-12 месяцев
Пиролиз (ех)
Х-ЛОС, Х-ПЛОС, ПАУ,
ПХБ, Пест., Диокс./Фур.
< 6 месяцев
Системы, использующие плазменную дугу (ех)
ПХБ, Пест., Диокс./Фур.
6-12 месяцев
Остекловывание (in или ех)
Х-ЛОС, Х-ПЛОС, ПАУ,
ТМ, ПХБ, Пест., Ди-
окс./Фур., неорганиче-
ские загрязнения
< 6 месяцев
Вопросы для закрепления материала
1. В чем отличие технологий восстановления почв in situ, ex situ, on
site и off site ?
2. Какие факторы влияют на применимость технологии восстанов-
ления почв?
3. Охарактеризуйте преимущества и ограничения биохимических
методов очистки техногенных и нарушенных территорий.
4. В чем заключаются преимущества и ограничения физико-
химических технологий очистки техногенных и нарушенных террито-
рий?
5. В чем заключаются преимущества и ограничения термических
технологий очистки техногенных и нарушенных территорий?
?
47
6. Биологические методы восстановления почв
Эти методы являются самыми распространенными в силу относительно малых затрат при их осуществлении. Технологии можно разделить на осуществляемые прямо на месте загрязнения (in situ) и технологии, обрабатывающие извлеченный экскаватором грунт.
6.1. Биологическая очистка почв in situ
Главным преимуществом обработки in situ является то, что она
позволяет обрабатывать почву без ее извлечения и транспортировки,
что потенциально приводит к значительному снижению расходов.
Однако требует большего времени и имеется меньше уверенности в
единообразии обработки из-за изменчивости свойств почвы и водоносного горизонта. Технологии биовосстановления являются технологиями разрушения, целью которых является стимулирование роста
микроорганизмов и использование загрязнителей в качестве источника пищи и энергии при создании благоприятной среды для микроорганизмов. В общем, это означает создание (подачу) некоторой комбинации кислорода, питательных веществ и воды, а также контроль
температуры и pH.
Биологические процессы обычно осуществляют с малыми финансовыми затратами. Загрязнители разрушаются, и после этого иногда
производят очень малую остаточную обработку или она вообще не
нужна. Биологическая обработка хлорированных полиароматических
углеводородов cPAHs оставляет после себя плохо разлагаемые PAHs.
При этом увеличение концентрации хлора приводит к снижению биоразложения. Кроме того, в процессе биоразложения некоторые соединения могут оказаться превращенными в более токсичные продукты. При использовании биотехнологии in situ, если не осуществляется постоянный контроль за процессом биоразложения, эти токсичные соединения могут перейти в грунтовую воду. Вариант обработки загрязненной территории in situ требует описания почвы, водоносного горизонта и загрязнителей. Иногда извлекаемая грунтовая
вода может нуждаться в дополнительной обработке. Если грунтовая
вода имеет низкий уровень загрязнения, ее можно пропускать циклически через обрабатываемую зону, т. е. именно она оказывается водой, необходимой для биологической очистки обрабатываемого
участка. Хотя не все органические соединения поддаются биоразложению, технологии биовосстановления были с успехом применены
для очистки почв, илов и грунтовой воды, загрязненных углеводородами нефти, растворителями, пестицидами, консервантами древеси-
48
ны и другими органическими веществами. Биовосстановление неприменимо для обработки неорганических загрязнений.
На скорость, с которой микробы разлагают загрязнения, влияют:
природа этих загрязнений и их концентрации, снабжение почвы кислородом и водой, температура почвы, pH, снабжение микроорганизмов элементами питания. Кроме того, для ускорения
очистки применяют биологическое усиление и кометаболизм. Технологии биологической обработки in situ весьма чувствительны к некоторым почвенным параметрам. Например, присутствие глины или
гуминовых веществ в почве вызывает вариации в скорости процесса
биологической обработки.
Поступление кислорода в почву увеличивается, если не происходит насыщения почвы водой, если восстановлению подвергаются
песчаные и суглинистые почвы в противоположность глинистым
почвам, если удается избежать сжатия почвы и если низки концентрации разлагающегося материала. Чтобы обеспечить поступление
кислорода в количестве, достаточном для поддержания аэробных условий, можно применять ввод сжатого воздуха или пероксида водорода (Н2О2). Использование Н2О2 ограничено, поскольку при высоких
концентрациях он токсичен для микроорганизмов. Кроме того, пероксид водорода склонен к быстрому разложению на воду и кислород
в присутствии некоторых почвенных компонентов.
Анаэробные условия можно использовать для разложения сильно
хлорированных загрязнителей, хотя и с очень небольшой скоростью.
Вслед за этой обработкой можно применить аэробную обработку,
чтобы завершить биоразложение уже частично дехлорированных соединений, а заодно и других загрязнителей.
Вода служит средой, через которую элементы питания и органические компоненты попадают в клетки микроорганизмов, и в воду же
выходят из клетки продукты клеточного метаболизма. Избыточные
количества воды, однако, могут ухудшать условия восстановления,
поскольку она может препятствовать поступлению кислорода в почву
(если, конечно, не нужны именно анаэробные условия).
Элементами питания, необходимыми для роста клеток, являются:
азот, фосфор, калий, сера, магний, кальций, марганец, железо, цинк,
медь и следовые эле менты. Если элементы питания в достаточном
количестве не доступны, микробиологическая активность снижается.
Самыми дефицитными элементами питания в загрязненной среде обитания являются азот и фосфор. Их обычно вводят в систему, подвергаемую биовосстановлению, в приемлемой для микроорганизмов форме
(азот в аммонийной форме и фосфор в виде фосфат-иона). Фосфат-
49
ионы могут вызвать уплотнение почвы вследствие их реакции с минеральной частью почвы, например с ионами железа и кальция, и образования нерастворимых осадков, забивающих поры в почве и водоносном горизонте. Нагревание участка, подвергаемого биовосстановлению, например вводом теплого воздуха, может ускорить процесс восстановления. Многие металлы, потенциально токсичные для микроорганизмов, находятся в нерастворимой форме при повышенных pH;
следовательно, увеличение pH в обрабатываемой системе может снизить риск отравления микроорганизмов.
Температура воздействует на микробиологическую активность в
окружающей среде. Биоразложение будет замедляться с понижением
температуры; поэтому в северных климатических условиях биовосстановление может оказаться неэффективным в течение части года,
если только не применяются средства, контролирующие климат. Микроорганизмы остаются жизнеспособными при температурах ниже
точки замерзания воды и будут проявлять активность при повышении
температуры. Слишком высокие температуры могут ухудшить условия существования для некоторых микроорганизмов, что приведет к
существенной стерилизации почвы.
Температура воздействует также на небиологические потери загрязнителей, в основном из-за увеличения испарения загрязнителей
при высоких температурах. Растворимость загрязнителей обычно увеличивается с повышением температуры; однако некоторые углеводороды более растворимы при низких температурах, чем при повышенных. Кроме того, с увеличением температуры уменьшается растворимость кислорода.
Разновидностью технологии биологической очистки является био-
усиление (bioaugmentation), которое подразумевает просто введение в
почву группы природных штаммов бактерий или генетически сконструированных (измененных) бактерий для разложения специфических загрязнителей или групп загрязнителей, а иногда приспособленных к выживанию в особо суровых условиях окружающей среды. В
этих целях микроорганизмы с восстанавливаемого участка выделяют
из почвы, отдельно выращивают соответствующую бактериальную
культуру и возвращают на место, при этом достигают быстрого увеличения заселенности участка микроорганизмами. Обычно пытаются
изолировать и ускорить рост популяции природных микроорганизмов,
которые предпочитают питаться загрязнителями. В некоторых ситуациях на отдельных стадиях процесса восстановления почвы вводят
различные микроорганизмы, поскольку загрязнители, присутствующие в изобилии, изменяются в процессе разложения. Если естест-
50
венные разновидности бактерий не обладают метаболической способностью осуществить процесс восстановления, вводят экзогенные разновидности, полученные генетическим модифицированием. Однако
на почвенных частицах остатков топлива, разлагаются биологически
также летучие соединения во время медленного передвижения их паров через биологически активную зону в почве.
Биовентилирование используют, например, для очистки почв, загрязненных различными продуктами нефтепереработки: топливом для
реактивных двигателей, бензином, дизельным топливом и маслами
для нагревательных приборов. In situ обработка углеводородных загрязнителей в почвах сильно снижает расходы по сравнению с традиционными методами выкапывания загрязненной почвы и ее последующей обработкой или захоронением. Кроме того, биовентилирование
часто устраняет дорогую обработку отходящих газов, которая обязательна в случае применения систем вакуумной экстракции паром, при
этом стоимость снижается на 50%. Обычно стоимость очистки технологией биовентилирования находится в пределах от $15 до $75 на кубический метр почвы. Факторы, влияющие на цену, включают тип и
концентрацию загрязнений, проницаемость почвы, глубину скважин и
их число, расход подаваемого воздуха. Очистка от бензола, толуола,
этил- бензола и ксилолов (ВТЕХ) занимает приблизительно 1-5 лет, и
от 2 до 10 лет для углеводородов нефти в целом.
6.2. Усиленное биовосстановление почвы
Усиленное биовосстановление − это процесс, в котором местные
природные или выведенные микроорганизмы (низшие грибы, бактерии или другие микробы) разлагают органические загрязнения, обнаруженные в почве или грунтовой воде, превращая их в безвредные
конечные продукты. Для усиления биовосстановления и десорбции
загрязнителя с поверхности почвенных компонентов в почву могут
вводиться элементы питания, кислород и другие добавки.
Усиленное биовосстановление обычно состоит в поливе загрязненного участка грунтовой или незагрязненной водой, в которую введены элементы питания и которая насыщена растворенным кислородом. Иногда в эту воду дополнительно вводят акклиматизированные микроорганизмы (биоусиление) или другие источники кислорода,
например пероксид водорода. Обычно применяют ирригацию разбрызгиванием для почв, загрязненных неглубоко, а в случае более
глубоко загрязненных почв используют инжекци- онные скважины, в
которые подается эта подготовленная вода.
Успешное биовосстановление in situ было продемонстрировано в
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]