9. Биологическая очистка грунтовых вод, поверхностных вод и продуктов выщелачивания in situ

9.29. Усовершенствование процесса биоремедиации

Биоремедиация - это разрушение (переработка) органических загрязнений в почвах и/или грунтовых водах возникающими естественным образом или внедренными микроорганизмами (т.е. грибами, бактериями и прочими микробами).

Биоремедиация нацелена на ускорение естественной биодеградации путем добавления биогенных веществ, акцепторов электронов и эффективных микроорганизмов, которые в противном случае могут ограничивать быстрое преобразование органических загрязнений в нетоксичный конечный продукт.

Обогащение кислородом может достигаться путем барботирования грунтовых вод воздухом или добавления перекиси водорода (H2O2) в загрязненную зону грунтовых вод. В анаэробных условиях нитраты циркулируют в загрязненной зоне грунтовых вод для усиления биоремедиации. Кроме того, пероксиды в твердой фазе (например, соединения, выделяющие кислород) могут также использоваться для обогащения кислородом и повышения уровня биодеградации.

Обогащение кислородом путем барботирования

Барботирование грунтовых вод воздухом повышает концентрацию кислорода и уровень биодеградации органических загрязнений с помощью микробов, возникающих естественным образом. (Информация об отгонке летучих органических соединений воздухом параллельно с барботированием содержится в разделе 4.34 «Описание технологии»). Барботирование воздухом также усиливает смешивание в зоне насыщения, что повышает контакт между грунтовыми водами и почвой. Простота и экономичность установки точек нагнетания воздуха малого диаметра позволяет существенно повысить оперативность разработки и создания системы восстановительных мер. Обогащение кислородом путем барботирования как правило проводится параллельно с обработкой почвы паровой экстракцией или биоудалением для повышения эффективности устранения соответствующих летучих компонентов.

Обогащение кислородом с применением перекиси водорода

При обогащении кислородом с применением перекиси водорода слабый раствор перекиси водорода вводится через загрязненную зону грунтовых вод для повышения содержания кислорода в грунтовых водах и уровня аэробной биодеградации органических загрязнений микробами, возникающими естественным образом.

Обогащение нитратами

Сольюбилизированный нитрат вводится в загрязненную зону грунтовых вод и служит альтернативным акцептором электронов для биологических процессов, повышая уровень биодеградации органических загрязнений. Развитие технологии обогащения нитратами по-прежнему находится на пилотной стадии. Такая технология повышает уровень анаэробной биодеградации за счет добавления нитратов.

Топливо быстро разлагается в аэробных условиях, но успешный результат часто ограничивается отсутствием возможности обеспечить достаточный уровень кислорода в загрязненных зонах в связи с низкой растворимостью кислорода в воде и быстрым поглощением кислорода аэробными организмами. Нитрат также может служить акцептором электронов и обладает более высокой растворимостью в воде, чем кислород. Добавление нитрата в водоносный горизонт приводит к анаэробной биодеградации толуола, этилбензола и диметилбензола. Было установлено, что бензиновый компонент топлива разлагается медленнее в строго анаэробных условиях. Добавление смеси кислорода/нитрата является преимущественным способом, поскольку добавленный нитрат восполнит недостающий кислород, а не заменит его, что обеспечит биодеградацию бензола в микроаэрофильных условиях.

Эти технологии могут считаться долгосрочными, поскольку для достижения их максимальной эффективности может потребоваться несколько лет.

Загрязнения, к которым применяется интенсивная биодеградация, включают негалогенированные летучие органические соединения, негалогинированные полулетучие органические соединения и различные виды топлива. Пестициды также должны поддаваться некоторой очистке. Обогащение нитратами изначально использовалось для очищения грунтовых вод, загрязненных бензолом, толуолом, этилбензолом и диметилбензолом.

Ограничивающие факторы:

• Когда нижний горизонт имеет разнородную структуру, очень сложно доставить раствор нитрата или перекиси водорода в каждую секцию загрязненной зоны. Зоны с высокой проницаемостью будут очищены намного быстрее из-за более интенсивного потока грунтовых вод.

• При использовании перекиси водорода необходимо соблюдать меры безопасности.

• Концентрации перекиси водорода в грунтовых водах свыше 100-200 мг/куб. м замедляют деятельность микроорганизмов.

• Действие микробных энзимов и высокое содержание железа в глубинных материалах может привести к быстрому сокращению концентраций перекиси водорода и сужению зон влияния.

• Система циркуляции грунтовых вод должна быть создана таким образом, чтобы загрязняющие вещества оставались в зонах активной биодеградации.

• Поскольку барботирование воздухом повышает давление в зоне верхних грунтовых вод, пары могут скапливаться в основаниях зданий, которые, как правило, являются зонами низкого давления.

• Многие государства запрещают впрыскивание нитратов в грунтовые воды, поскольку уровень нитратов регулируется стандартами качества питьевой воды.

• Для очистки извлеченных грунтовых вод до их повторного введения в почву или утилизации требуется система поверхностной очистки, например отгонка воздухом или адсорбция углем.

9. 30 Контролируемый естественный процесс ослабления последствий загрязнения

Для сокращения концентраций загрязнений до допустимого уровня разрешается применение естественных подземных процессов, таких как разжижение, испарение, биодеградация, адсорбция и химические реакции с подземными материалами. Естественное ослабление последствий загрязнения не является «технологией» как таковой, и технические специалисты ведут серьезные споры о его приемлемости в зонах с опасными отходами. Изучение этого варианта требует моделирования и оценки темпов и способов деградации загрязнителей, а также составления прогнозов относительно концентрации загрязнителей в зонах нисходящего градиента, особенно когда шлейф загрязнения продолжает расширяться/перемещаться. Основная цель моделирования участка - демонстрация того, что процессы деградации загрязнений сократят концентрации до уровня ниже установленных стандартов или уровня, установленного с учетом имеющихся рисков, до завершения реализации возможных способов воздействия. Кроме того, в ходе всего процесса необходимо провести долгосрочный мониторинг для подтверждения того, что деградация проходит темпами, соответствующими целям восстановительных работ.

Естественное ослабление последствий загрязнения не эквивалентно бездействию, хотя его часто считают таковым. CERCLA требует оценки альтернатив бездействию, но не требует оценки естественного ослабления последствий загрязнения. Естественное ослабление последствий загрязнения рассматривается в рамках программы «Суперфонд» на индивидуальной основе, и инструкции в отношении этого процесса по-прежнему находятся на этапе разработки.

По сравнению с другими технологиями в области рекультивации, этот процесс имеет следующие преимущества:

Обеспечивает более низкий уровень производимых или переносимых отходов;

Предполагает минимальное вмешательство, поскольку не требует установки большого числа наземных объектов;

Может применяться ко всему участку или к его определенным зонам, в зависимости от состояния участка и целей восстановительных работ;

Может использоваться в сочетании с прочими (активными) мерами или в дополнение к ним;

Общие затраты, вероятнее всего, будут ниже чем затраты на проведение активных восстановительных работ.

К загрязнениям, при устранении которых эффективно естественное ослабление последствий загрязнения, относятся летучие и полулетучие органические соединения, а также топливные углеводороды. Топливные и галогенированные летучие органические соединения часто оцениваются с точки зрения применимости к ним данного способа. Естественное ослабление последствий загрязнения также наблюдается и в ситуации, когда загрязняющим веществом являются пестициды, но этот процесс может быть менее эффективным и может применяться только к некоторым соединениям группы. Кроме того, естественное ослабление последствий загрязнения может применяться к некоторым металлам. В этом случае меняется валентное состояние металла (например, хрома), что приводит к его нейтрализации.

Ограничивающие факторы:

• Необходимо собрать данные для использования в качестве исходных параметров при моделировании.

• Продукты промежуточного распада могут быть более мобильны и токсичны, чем само исходное загрязняющее вещество.

• Естественное ослабление последствий загрязнения неэффективно при наличии неизбежных локальных рисков.

• Загрязняющие вещества могут мигрировать до их распада.

• Могут потребоваться ведомственные средства контроля, и участок может быть непригоден для повторного использования до сокращения уровня загрязняющих веществ.

• При наличии свободного вещества может возникнуть необходимость в его устранении.

• Некоторые неорганические соединения могут быть нейтрализованы (например, ртуть), но это не приведет к их распаду.

• Долгосрочный мониторинг и связанные с ним затраты.

• Для достижения поставленных целей по восстановлению участка может потребоваться больше времени, чем при активном восстановлении.

• Гидрологические и геохимические условия, в которых происходит естественное ослабление последствий загрязнения, по всей вероятности, будут меняться со временем, что может возобновить мобильность ранее стабилизированных загрязняющих веществ и отрицательно сказаться на эффективности восстановительных мер;

• Для получения общественного одобрения на применение естественного затухания могут потребоваться более широкомасштабные меры.

9.31 Фиторемедиация

Фиторемедиация представляет собой ряд процессов, в рамках которых для очистки грунтовых и поверхностных вод используются растения. Очистка от металлов и прочих неорганических соединений подробно рассматривается в Разделе 4.6 («Фиторемедиация грунта»). Растения для целей фиторемедиации могут быть использованы несколькими способами. К этим механизмам относится интенсивная ризофильтрация, гидравлическое управление, фитодеградация и фитоволатилизация.

Интенсивная ризофильтрация

Интенсивная ризофильтрация происходит в почве в зонах расположения корней растений. Природные вещества, выделяемые корнями растений, поставляют питательные вещества микроорганизмам, усиливая их способность к биодеградации органических загрязнителей. Корни растений также разрыхляют почву и затем отмирают, открывая пути для транспортировки воды и воздуха. В результате этого процесса вода выходит в поверхностные слои, а нижние зоны насыщения осушаются.

Гидравлическое управление

В зависимости от типа деревьев, климата и сезона деревья могут выступать в качестве природных насосов - их корни достигают уровня грунтовых вод и формируют плотную корневую систему, забирающую большие объемы воды.

Фитодеградация

Фитодеградация представляет собой метаболизм загрязняющих веществ в тканях растений. Растения вырабатывают энзимы, например дегалогеназу и оксигеназу, которые помогают ускорить деградацию. В настоящее время ведутся исследования для определения эффективности фитодеградации в отношении ароматических и хлорированных алифатических соединений.

Фитоволатилизация

При фитоволатилизации растения поглощают воду, содержащую органические загрязнители, и испаряют их в атмосферу через листья. Растения также могут расщеплять органические загрязнители и выделять продукты распада в атмосферу через листья.

Фиторемедиация может применяться для очистки органических загрязнителей в поверхностных водах, грунтовых водах, продуктах выщелачивания, а также бытовых и промышленных сточных водах.

Растения также вырабатывают энзимы (например, дегалогеназу и оксигеназу), которые помогают ускорить деградацию.

Ограничивающие факторы:

• Данный метод может применяться только в отношении неглубоких почв, водотоков и грунтовых вод.

• Высокие концентрации опасных веществ могут быть токсичны для растений.

• При применении этого метода, как и других методов биологической очистки, масса переносимых веществ ограничена.

• Климатические или сезонные условия могут препятствовать или сдерживать рост растений, тем самым замедляя действие восстановительных мер или увеличивая период очистки.

• В результате применения этого метода загрязнения могут переноситься из одной среды в другую (например, из почвы в атмосферу).

• Данный метод неэффективен в отношении чрезмерно сорбированных (многохлористые бифенилы) и недостаточно сорбированных загрязнителей.

• Для применения фиторемедиации, по всей вероятности, потребуется участок большой площади.

• Уровень токсичности и биологической доступности продуктов биодеградации не всегда известен. Продукты могут попадать в грунтовые воды или накапливаться в организме животных. Необходимо проводить дальнейшие исследования, чтобы определить судьбу различных соединений в цикле метаболизма растений и избежать попадания токсичных или вредных веществ из продуктов жизнедеятельности растений и продуктов, вырабатываемых растениями, в пищевую цепь и повышения риска для населения.