Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Экологическое нормирование и природоохранная отчетность. Учебное пособие
.pdf
51
холодных погодных условиях, но все же низкие температуры замедляют процесс очистки. Для загрязненных участков с низкой температурой почвы можно использовать тепловые одеяла, чтобы закрыть поверхность почвы и увеличить ее температуру и скорость деградации загрязнений. Усиленное биовосстановление можно считать
долговременной технологией.
Анаэробное биовосстановление in situ. В отсутствие кислорода
(анаэробные условия) органические загрязнители будут в конечном
счете превращены в метан, некоторое небольшое количество углекислого газа и следовые количества водорода. В условиях восстановления сульфат-ион превратится в сульфид-ион или элементарную серу, а
в условиях, способствующих восстановлению нитрат-иона, будет выделяться свободный азот. Иногда загрязнители разлагаются с образованием более опасных промежуточных продуктов, чем исходное соединение. Например, тетрахлорэтилен в анаэробных условиях превращается в более токсичный винилхлорид. Чтобы избежать возникающих проблем, большинство проектов биовосстановления осуществляют в присутствии кислорода, и в этих аэробных условиях винилхлорид легко разрушается.
6.3. Фитовосстановление
Идея этого биологического метода очистки почв очевидна. Расте-
ние накапливает загрязнение из почвы в своих побегах. Это могут
быть ионы тяжелых металлов, или ядовитые органические соединения, или радиоактивные загрязнения. Преимущество фитовосстановления перед другими методами восстановления почв состоит в том, что загрязнения удаляются из почвы, не разрушая ее структуры, и без снижения почвенного плодородия. Фитовосстановление
почвы − это весьма сложный процесс, который может протекать по
различным механизмам, иногда одновременно по нескольким. Перечислим эти механизмы [6]. Растения сем. Крестоцветных Brassicáceae,
бобовых Fabaceae и злаковых Gramíneae способны адосорбировать
металлы в корневой системе и затем переводить их в стебельную
часть, извлекая таким образом загрязнители из почвы [12, 13].
Фитостабилизация − это механизм выделения растением химиче-
ских соединений, которые иммобилизуют загрязнения на поверхности
раздела корней и почвы.
Фитоаккумулирование − это механизм захвата загрязнений корня-
ми растения и затем его перенос и накопление (фитоэкстракция) в побегах растения и листьях. Обычно такой механизм осуществляют для
восстановления почв, осадков и грунтовой воды, загрязненных ме-
52
таллами. Специфические виды растений используются для поглощения необычно больших количеств металлов из почвы, а затем с засеянной загрязненной территории собирают урожай. Биомассу компостируют для повторного использования металлов или сжигают, а золу
отправляют на регулируемую свалку.
Ризофильтрация − этот механизм подобен фитоэкстракции; одна-
ко вначале обычно корневые системы растений развивают в водной
среде внутри парника до стадии зрелости. Когда корневая система
достаточно развита, к растениям подводят загрязненную воду (в основном загрязнители − это металлы), которая затем постоянно циркулирует через водный источник, питающий эти растения.
Фиторазложение − это метаболизм загрязнений внутри побегов
растений. Растения производят энзимы, например дегалогеназу и оксигеназу, которые катализируют разложение загрязнения. Сейчас
проводятся исследования возможности фиторазложения ароматических и хлорированных алифатических соединений.
Усиленная биодеградация загрязнений в ризосфере протекает в
почве, непосредственно прилегающей к корням растения, когда устанавливается симбиотическая связь между корневой системой растения и микроорганизмами, населяющими корневую зону. Природные
вещества, выделяемые корнями растений (сахара, кислоты, спирты),
поставляют элементы питания для микроорганизмов,
Растения должны также легко приспосабливаться к разнообразным климатическим условиям. Кроме того, эти отобранные растения
должны накапливать большие концентрации загрязнителя в своих
надземных «атмосферных» частях, т. е. иметь высокий коэффициент
бионакопления (биоаккумулирования). Коэффициент бионакопления
(отношение концентрации радионуклида или другого загрязнителя в
побегах растения к концентрации его в почве) является мерой способности растений к фитовосстановлению. Гипераккумуляторы − это
виды растительности, которые способны накапливать большие концентрации ионов металлов в своих побегах. Следующие факторы могут ограничивать применение и эффективность фитовосстановления.
1. Использование найденных специфических видов растений (про
которые известно, что они успешно очищают почву или грунтовую
воду) в конкретной окружающей среде может оказаться проблематичным из-за проблем адаптации.
2. Климатические или сезонные условия могут вмешиваться или
ингибировать рост растения, замедляя скорость восстановления или
увеличивая его длительность.
Фитовосстановление имеет смысл осуществлять на большой тер-
53
ритории, которую планируют восстанавливать и с низкими уровнями
загрязнения из-за всегда имеющейся вероятности отравления растений, поглощающих загрязнители. Данный метод ограничен по глубине загрязнения почвы.
6.4. Биологическая очистка почв ex situ. Лэндфарминг
Лэндфарминг − это биовосстановление извлеченной загрязненной
почвы, распределенной по поверхности выделенного земельного
участка в виде слоя. В простейшем варианте загрязненная почва распределяется по поверхности земли, обычно слоем толщиной примерно
0,5 м. Эта почва регулярно перемешивается и переворачивается для
улучшения почвенной структуры и снабжения ее кислородом. Можно
поливать этот слой почвы водой: 1) для придания почве необходимой
влажности и 2) для введения в систему с водой элементов питания для
микроорганизмов (неорганических соединений азота, фосфора и калия). Как правило, обрабатываемый слой размещают на непроницаемой подстилке (мембране), чтобы обеспечить полный сбор образующихся промывных вод. Обычной практикой является также орошение
слоя почвы дождеванием и возвращение в цикл собранной промывной
воды. Метод часто приводит к успеху при обработке почв, содержащих продукты перегонки нефти, на отведенных земельных участках,
если выделения в атмосферу, образующиеся в процессе биодеградации загрязнений, не достигают неприемлемых уровней, опасных для
здоровья.
Если загрязненные почвы являются неглубокими (например, име-
ют толщину менее 1 м от поверхности земли), можно эффективно
стимулировать микробную активность без извлечения почвы. Если
почва загрязнена нефтью глубже 1,5 м, такую почву следует извлечь и
распределить по земной поверхности. Иногда для ускорения биоразложения загрязнений прибегают к усиленному лэндфармингу:
смешивают извлеченную почву, загрязненные илы или осадки с микробной средой (вводят в почву специальные штаммы бактерий). Эта
микробная среда усиливает биологическое разложение загрязнителей.
Преимущества лэндфарминга:
1) технология относительно проста для проектирования и осу-
ществления;
2) короткие времена обработки (обычно от 6 месяцев до 2 лет в оп-
тимальных условиях) и низкая стоимость обработки;
3) технология эффективна для удаления органических соединений
с малыми скоростями биоразложения.
Недостатки лэндфарминга:
1) очень трудно достичь снижения концентраций загрязнителей
54
более чем на 95%;
2) технология может оказаться неэффективной для высоких кон-
центраций загрязнителей;
3) присутствие значительных концентраций тяжелых металлов
может ингибировать рост микрообранизмы;
4) в ходе обработки летучие компоненты стремятся в большей сте-
пени испариться, чем разложиться под действием микробов;
5) обработка требует большой по площади территории;
6) образование пыли и генерирование вредных испарений в ходе
лэндфарм-аэрации может привести к проблемам качества воздуха;
7) может потребоваться подстилающий слой, если вымывание из
распределенной по земле выкопанной почвы вызывает озабоченность.
8) может потребоваться подстилающий слой, если вымывание из
распределенной по земле выкопанной почвы вызывает озабоченность.
6.5. Обработка почвы в бионасыпях
Из выкопанной экскаватором загрязненной почвы образуют статическую насыпь. Термин «статическая» означает, что механического
переворачивания или вспашки выкопанной почвы не производят. Питательные вещества вводят в загрязненную почву вместе с водой при
поливе насыпи или по сети каналов, устроенных внутри нее. Условия
внутри насыпи отслеживают и оптимизируют с помощью подачи воздуха и полива. Принципиальное различие между системами, применяющими бионасыпи и применяющими валки, состоит в использовании активной аэрации и принудительного полива. Техническое обслуживание бионасыпей тесно связано с техникой аэрации статических
насыпей, применяемой при компостировании отходов. Строительство
бионасыпи обычно включает установку датчиков внутри насыпи для
отслеживания критических параметров. Наиболее существенными инструментами мониторинга «состояния» насыпи являются трубки для
отбора газовой фазы внутри насыпи и термопары для измерения температуры. После того как насыпь сформирована, ее следует укрыть
пластиковым полотном и придавить мешками с песком или тяжелыми
сетями. Покрытие служит для защиты подвергаемой биоразложению
почвы от разнообразных воздействий с целью: сохранить влажность и
тепло; предотвратить избыточное поступление воды от внезапного
дождя; предотвратить образование пыли из насыпи в ветреную погоду
цементирование верхнего слоя почвы при увлажнении и высыхании.
Конструкция бионасыпи (рис. 3) должна предотвращать ее избыточный внутренний разогрев. Биологическое разложение загрязнителей высвобождает то же количество теплоты, что и реакция их горе-
55
ния, но с меньшей скоростью. Выделяющаяся теплота приводит к повышению температуры бионасыпи в ходе операции очищения почвы.
Небольшой подъем температуры желателен для усиления микробиологической скорости разложения, но избыточного увеличения температуры следует избегать, поскольку оно приводит к падению активности микробов после достижения оптимальной температуры. Обычно
температуру поддерживают в интервале от 20 до 40 °С.
Рис. 3. Устройство бионасыпи
6.6. Обработка загрязненной почвы в биореакторах
Биологическая обработка взвеси, образованной из почвы и воды
(Slurry-phase biological treatment), состоит в контролируемой обработке выкопанной загрязненной почвы в биореакторе. Почва сначала обрабатывается физически − от нее отделяют камни и булыжники. Затем
почву смешивают с водой до образования взвеси (суспензии) с определенной заранее консистенцией, которая зависит от концентрации
загрязнителей, скорости биоразложения и физической природы почвы.
В некоторых вариантах процесса почву иногда предварительно промывают для концентрирования загрязнений. Отделившийся в этой
операции чистый песок можно отбросить, а оставшиеся загрязненные
тонкие фракции (глина, пыль и гуминовые вещества) и промывная
вода направляются на биологическую обработку. Обычно взвесь содержит от 10 до 40% по весу твердых частиц.
Почву в виде суспензии переводят в реактор и смешивают с питательными веществами. Внутри реактора ведут контроль за температурой, pH (если есть необходимость, добавляют в реактор кислоту или
щелочь), за элементами питания и концентрацией кислорода. Оптимальные параметры должны обеспечить максимальные скорости разложения загрязнения. Для этой цели используют либо населяющие
обрабатываемую почву природные микроорганизмы, либо специально
введенные в реактор штаммы культур. После завершения биоразло-
56
жения загрязнений взвесь выгружают из реактора и обезвоживают.
Обезвоживание производят с помощью коагуляторов, пресс-фильтров,
вакуум-фильтров, песчаных осушающих слоев или центрифуги.
Принципиальная схема обработки почвы в биореакторах (аэротэнках)
с взвешенной фазой представлена на рис. 4.
Рис. 4. Процесс биовосстановления загрязненной почвы
во взвешенной фазе в аэротенках
Биореакторы с взвешенной фазой успешно применяются для
очистки почв и осадков, загрязненных взрывчатыми веществами, углеводородами нефти, нефтепродуктами, растворителями, пестицидами, консервантами древесины и другими органическими соединениями. Такие биореакторы предпочтительнее биотехнологии in
situ при очистке гетерогенных почв, почв с низкой проницаемостью, а
также территорий, на которых трудно захватить залегающую грунтовую воду, наконец, если требуется более быстрая обработка отхода.
Биореакторы с взвешенной фазой сначала применяли для разрушения в выкопанной загрязненной почве или в осадках, вычерпанных
земснарядами, не содержащих галогенов полулетучих органических
соединений (ПЛОС) и летучих органических соединений (JIOC). В
этих реакторах могут быть также разрушены взрывчатые соединения.
В дальнейшем в реакторы стали вносить специально адаптированные
микроорганизмы и их стали использовать для разрушения в грунтах и
осадках галогенированных летучих органических соединений (ХJIOC) и галогенированных полулетучих органических соединений (ХПЛОС), а также пестицидов и ПХБ. Иногда для тех же целей применяют в одном процессе анаэробные и аэробные биореакторы с
взвешенной фазой, установленные последовательно. Ограничивать
применимость и эффективность процесса могут следующие факторы:
1) требуется выкапывание больших объемов загрязненной почвы;
2) подготовка почвы (доведение частиц почвы до необходимого
размера) перед помещением их в реактор может оказаться затруднительным и дорогим;
3) негомогенные почвы могут создать серьезные проблемы обра-
щения с вредными материалами;
4) обезвоживание тонкодисперсных почв после обработки может
Емкость для
обезвожива-
ния
Биореакторы со взвешенной фазой
Элементы питания, аэра-
ция, микроорганизмы
Обезвоженная взвесь
(очищенная почва)
Обезвоживание
Возврат воды
57
оказаться дорогим;
5) необходим приемлемый метод удаления сточных вод, уже не
возвращаемых в технологический цикл.
Продолжительность очистки и технического обслуживания. Обработку почвы в биореакторах с взвешенной фазой можно отнести к непродолжительным или средней длительности технологиям. Длительность работы и обслуживания зависит от следующих факторов: 1)
концентрации загрязнений; 2) температуры реактора; 3) концентрации
питательных веществ; 4) адекватной аэрации (для аэробных биореакторов).
Вопросы для закрепления материала
1. В чем главное преимущество биологическая очистка почв in situ?
2. Как влияют на скорость биологического разложения загрязняю-
щих веществ такие факторы как концентрации самих загрязнений,
снабжение почвы кислородом и водой?
3. Какова роль температуры почвы, pH, снабжение мик-
роорганизмов элементами питания в биологическом разложении загрязняющих веществ?
3. В чем заключается усиленное биовосстановление почвы?
4. Дайте характеристику таким понятиям фитовосстановления как:
фитостабилизация, фитоаккумулирование, ризофильтрация, фиторазложение.
5. Опишите достоинства и недостатки методу биовосстановления
извлеченной загрязненной почвы (лэндфарминг).
6. Как устроена конструкция бионасыпи при обработке почвы?
7. Физико-химические методы. Технологии
отверждения − стабилизации
Физические методы предусматривают удаление верхнего слоя
грунта с загрязненных территорий на захоронение или в специально
отведенные места. К ним же следует отнести все варианты промывки
почвы с растворением загрязнителей в промывающей жидкости (воде).
Химические методы включают процессы выщелачивания, связывания
загрязнителей в комплексные соединения и т.д. Физико-химические
методы в настоящее время включают экстракцию, фотолиз и флотацию.
7.1. Выщелачивание (промывание) почвы
Промывание почвы in situ – это экстрагирование загрязнений из
?
58
почвы водой или специальными водными растворами без ее выкапывания. Такое промывание выполняют пропусканием экстрагирующей
жидкости через почву на участке загрязнения. Для этого экстрагент
вводят в загрязненное место инжекцией через скважину (рис. 5а) или
используют процесс естественной инфильтрации, заливая поверхность загрязненного участка вымывающим раствором (см. рис. 5б).
Экстрагирующие жидкости должны быть извлечены из подстилающего водоносного горизонта и, если это возможно, возвращены в
цикл.
Рис. 5. Схема отмывания участка почвы: загрязненного тяжелыми неводными жидкими фазами, in situ методом инжекции отмывающего раствора
через скважины (а); методом инфильтрации промывающего раствора (б)
Промывание почвы смешанным растворителем состоит во введе-
нии смеси растворителей (вода и смешанный с ней органический
растворитель, например спирт, кетон или эфир) в вадозную зону или
в зону насыщения, либо в обе зоны в целях экстрагирования органи-
ческих загрязнителей. Смешанный растворитель должен растворить
либо источник загрязнения, либо «язык» загрязнения, образованный
им. Смесь растворителей обычно вводят в месте максимального загрязнения зоны и снова извлекают на поверхность в месте минимальных концентраций загрязнения (движение смешанной жидкости
происходит по градиенту концентрации). Извлеченная грунтовая
вода, содержащая экстрагенты и десорбированные загрязнители,
может нуждаться в обработке. В результате такой обработки параметры качества воды должны позволить вернуть ее в цикл, либо
направить на местные общественные станции по обработке сточных
вод. Факторы, которые могут ограничить применимость и снизить
эффективность процесса:
1) низкая проницаемость или гетерогенность почв создают за-
труднения для обработки;
2) поверхностно-активные вещества могут прилипнуть к почве и
уменьшить ее эффективную пористость;
3) реакции промывной жидкости с почвой могут уменьшить по-
а
б
59
движность загрязнителя;
4) возможность реакции с почвой за пределами зоны загрязнения
и введение.
Химические экстрагенты: применяют кислые реагенты, органиче-
ские и неорганические лиганды (например, EDTA, уксусная кислота,
хлорид кальция), которые могут образовать растворимые внутри- и
внешнесферные комплексы с катионами металлов. Образование этих
комплексов снижает количество металла, удерживаемого частицами
почвы, и, подвижность. Следовательно, комплексообразователи хорошо подходят для восстановления почв. При отборе комплексующего лиганда для удаления ТМ следует учитывать следующие соображения:1) лиганд должен образовывать устойчивые комплексы в широкой области pH при соотношении (лиганд : металл) 1:1; 2) биодеградация лиганда или комплекса должна быть малой, чтобы не произошло повторного перехода металла в воду, находящуюся в порах
почвы; 3) образующиеся комплексы должны иметь низкое сродство к
активным центрам на поверхности почвы (т. е. быть не адсорбируемыми); 4) лиганд должен иметь низкую токсичность и создавать малую угрозу окружающей среде; 5) реагенты должны быть недорогими.
Находящиеся в водном растворе лиганды соревнуются с поверхностью твердой фазы за металлы. Распределение тяжелого металла
между почвенными поверхностными группами и растворенным
комплексующим лигандом сильно зависит от констант устойчивости
или констант образования комплексов в следующих двух реакциях:
≡S + Metal ↔ ≡S−Metal
(1)
Metal + Ligand ↔ Ligan−Metal (2)
Большие концентрации кислоты, например НСl, обычно требуют-
ся для удаления значительных количеств тяжелых металлов из загрязненных почв. Требуемые концентрации кислоты зависят от величины и степени удерживания ТМ, а также от предписываемых
стандартов очистки. Высокие концентрации кислоты требуются для
перевода в раствор металлов, присутствующих в почве в виде осажденных оксидов. Выщелачивание как химический метод очистки
почв заключается в обработке грунта 2%-ным раствором соляной кислоты при рН, равном 2, в течение 10 мин. Содержание таких загрязнителей, как мышьяк, кадмий, медь, никель, цинк и свинец снижается
при этом на 86-98%.
Перспективный способ химической очистки почв разработан рос-
сийской фирмой Special Biological Technology Corp (SBTC). Для
60
очистки в нем используется органо-неорганическое комплексное соединение стабилит (stabilite) – суспензия из ~ 93% гуминовых кислот и
неорганической смеси, содержащей оксиды алюминия, железа, кремния. Исходным сырьем для производства стабилита является лигнит –
разновидность молотого бурого угля, содержащая 65-71% углерода и
имеющая хорошо сохранившуюся структуру. При обработке почвы и
воды стабилит служит комплексообразователем для ионов тяжелых
металлов, в том числе радионуклидов. Положительные результаты его
применения получены в полевых испытаниях в районе г. Серпухова на
территории химического комбината, загрязненного полихлорированными дифенилами. После вспашки и обработки реагентом опытных
участков почвы содержание загрязнителей в них за два года уменьшилась в 20 раз. Для производства и сбыта стабилита в США организовано совместное предприятие с участием SBTC и четырех американских
фирм.
7.2. Технология отверждения-стабилизации
Процессы отверждения-стабилизации загрязненной почвы, или
S/S-технологии (solidification / stabilization), снижают подвижность
загрязнителей в окружающей среде физическими или химическими
средствами. В отличие от других технологий восстановления, S/Sтехнология находит способ уловить или иммобилизовать загрязнителя
в самой среде «хозяина» (например, в почве, песке, в строительных
материалах, которые содержат их) вместо того, чтобы удалить их в
процессе физической или химической обработки. Применение S/Sтехнологии должно сопровождаться тестами на вымываемость, чтобы
измерить произведенную иммобилизацию загрязнителей. S/Sтехнология может быть применена сама по себе или в комбинации с
другой обработкой и с методом захоронения полученного продукта.
Продукт должен оказаться пригодным для захоронения в земле или, в
некоторых случаях, иметь такие свойства, чтобы его можно было использовать с выгодой (например, в дорожном строительстве). S/Sтехнология может оказаться конечной или промежуточной ступенью
восстановления загрязненной территории.
Для многих типов опасных отходов, особенно для тяжелых метал-
лов, S/S обычно дает превосходные результаты в отношении длительной иммобилизации, измеряемой по существующим физическим и
химическим протоколам. Однако в отношении органических отходов
возникает озабоченность при использовании этой технологии. Даже
при применении технологии S/S к тяжелым металлам требуется тщательный выбор подходящих связывающих веществ В настоящее время
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]