4. Биологическая ex situ очистка почвы, осадочных отложений, подпочвы и шлама

4.11 Технология формирования штабелей

Очистка почвы путем формирования земляных штабелей (куч) является комплексной технологией. При осуществлении данного метода вынутый грунт смешивают с почвоулучшителем и укладывают в зоне очистки, которая оборудована системой сбора щелочных отходов и подачи воздуха. Данный метод используется для снижения содержания нефтяных компонентов в вынутом грунте за счет процесса биологического разложения. Процесс биодеградации может быть ускорен за счет регулирования уровня влажности, тепла, нутриентов, кислорода и рН.

Зона очистки отделяется непроницаемым слоем для максимального снижения риска проникновения загрязняющих веществ в незагрязненные участки почвы. Полученные в результате дренажа испарения можно очистить в биореакторе перед тем, как выпустить их в окружающую среду. Были разработаны специальные составы нутриентов, добавок и соответствующие методы внедрения этих составов в почву для ускорения процесса биодеградации. Состав таких смесей, как правило, определяется для каждого участка отдельно в зависимости от его характеристик.

Под земляными кучами, в грунте, обычно устанавливается система распределения воздуха для нагнетания воздуха в грунт с помощью вакуума или принудительного давления. В таких случаях высота кучи может достигать максимум 2-3 м (не больше). Сверху земляные кучи покрывают полиэтиленом для предотвращения обрушения и испарения, а также для эффективного использования естественного солнечного нагрева. Если в почве могут быть летучие органические соединения, которые могут попасть в воздух вместе с парами, то такие пары можно также подвергнуть очистке, чтобы удалить или разрушить летучие органические соединения до того, как пары попадут в атмосферу.

Метод формирования земляных куч относится к краткосрочным технологиям. Продолжительность его осуществления может составлять от нескольких недель до нескольких месяцев. К альтернативным методам очистки относятся такие статические процессы, как формирование залежей, земляных камер и куч для биоочистки почвы, а также компостирование.

Метод формирования земляных куч используется для очистки грунта от негалогенированных летучих органических соединений и углеводородного топлива. Он также может применяться и в отношении галогенированных летучих и полулетучих органических соединений и пестицидов, но при этом может меняться степень эффективности процесса, и процесс может применяться только в отношении определенных соединений данной группы загрязняющих веществ.

Ограничивающие факторы:

• Требуется извлечение грунта.

• Требуется проведение тестирования на предмет возможности очистки. Тестирование проводится, чтобы выяснить, будет ли метод эффективен в отношении определенных загрязнителей, а также определить соответствующий уровень окисления и нагрузки по питательным веществам.

• Твердофазные процессы могут быть неэффективными в отношении галогенированных соединений и малоэффективными при разрушении продуктов трансформации взрывчатых веществ.

• Для формирования отсеков одинакового размера требуется больше времени, чем для осуществления жидкофазных процессов.

• В результате статического процесса почвенный слой может быть менее однородным по сравнению с процессами, требующими периодического смешивания.

4.12. Компостирование

Компостирование - контролируемый биологический процесс превращения органических загрязняющих веществ (например, полициклических ароматических углеводородов) микроорганизмами (в аэробных и анаэробных условиях) в безвредные, стабильные побочные продукты. Как правило, для обезвреживания почвы, загрязненной опасными веществами органического происхождения, методом компостирования требуется поддержания температуры на уровне 54-65 °C. Высокий уровень температуры достигается за счет тепла, вырабатываемого микроорганизмами при разрушении органических отходов. Обычно такой эффект достигается благодаря использованию местных микроорганизмов. Грунт извлекается и перемешивается с агентом-наполнителем и органическими материалами (такими как древесная стружка, навоз и растительные отходы), чтобы усилить воздухопроницаемость смеси. Максимальный эффект разложения достигается при поддержании постоянного процесса окисления (например, при ежедневном перемешивании компоста), орошении в случае необходимости, а также постоянном отслеживании уровня влажности и температуры.

Существует три способа компостирования: вентилируемый статический компост в штабелях (формируются компостные штабели; вентиляция обеспечивается с помощью вентиляционных установок или вакуумных насосов); компостирование в закрытых реакторах с механическим помешиванием (компост помещается в реактор, где его соединяют с реагентами и периодически перемешивают); и компост в валах (компост укладывается в длинные валы, которые периодически перемешиваются с помощью специального оборудования). Компост в валах считается наиболее эффективным методом с точки зрения затрат. В то же время, он отличается самым высоким показателем неконтролируемых выбросов загрязняющих веществ в атмосферу. Поэтому, если в почве присутствуют летучие и полулетучие органические соединения, то требуется установить контроль над выделяемыми испарениями.

Процесс компостирования применяется в отношении почв и лагунных отложений, загрязненных органическими веществами, подлежащими биологическому разложению. Экспериментальные и полномасштабные проекты показали, что за счет применения аэробного и термофильного компостирования можно добиться снижения содержания взрывчатых веществ (ТНТ, гексогена и октогена), пикрата аммония и показателя токсичности до приемлемого уровня. Аэробное, термофильное компостирование также применяется для обезвреживания почв от ПАУ. Все материалы и оборудование, необходимые для процесса компостирования, находятся в свободной продаже.

Компост в валах доказал свою эффективность в отношении очистки грунта от взрывчатых веществ. Полевые испытания, проведенные Экологическим центром сухопутных войск США (USAEC) и на химическом объекте в Юматилла (UMDA), показали, что за 40 дней процесса уровень ТНТ снизился на 99,7%. При этом большая часть загрязняющего вещества была удалена в течение первых 20 дней. Максимальные показатели удаления для гексогена и октогена составили 99,8% и 96,8% соответственно. Метод компоста в валах считается наиболее привлекательным с точки зрения затрат и технического выполнения благодаря низким требованиям к оборудованию и своим высоким показателям очистки.

Ограничивающие факторы:

• Метод компостирования требует использования больших площадей.

• Требуется извлечение загрязненного грунта, что может привести к неконтролируемому выделению летучих органических веществ.

• Компостирование приводит к увеличению массы в объеме из-за добавления органических материалов.

• Данный метод не действует в отношении тяжелых металлов, хотя и может привести к снижению содержания металлов в грунте за счет разбавления. Кроме того, многие тяжелые металлы могут оказаться токсичными для микроорганизмов.

4.13. Запахивание отходов

Запахивание отходов является полновесной технологией биоремедиации с применением искусственного покрытия и других методов контроля процесса выщелачивания загрязняющих веществ. Процесс включает извлечение грунта и насыпание загрязненной почвы, осадочных отложений или шлама. Масса загрязненной среды помещается в канавы, которые затем покрываются специальным материалом. Периодически масса перемешивается или вспахивается, чтобы обеспечить подачу воздуха к отходам.

Ведется постоянный контроль характеристик грунта, чтобы поддерживать оптимальный уровень разложения загрязняющих веществ. К таким характеристикам относятся:

• Уровень влажности (поддерживается за счет орошения или опрыскивания).

• Уровень насыщения воздухом (поддерживается за счет вспахивания почвы с определенной регулярностью, при этом грунт перемешивается и насыщается кислородом).

• рН (поддерживается уровень, близкий к нейтральному, путем добавления известкового щебня или известкового удобрения).

• Другие показатели (например, уровень содержания наполнителя, нутриентов и т.д.).

Обработка загрязненной среды обычно производится на специальных участках высотой до 46 см. По достижении желаемого уровня очистки, такой материал удаляется, и формируется новый участок для переработки. В некоторых случаях ограничиваются удалением только верхнего слоя восстанавливаемого грунта. Затем к оставшемуся материалу добавляют новую массу загрязненной среды и все перемешивают. Такой метод приводит к тому, что в новую партию материала проникают бактериальные культуры, разрушающие загрязняющие вещества. Это позволяет сократить время очистки.

Вспахивание земли является полновесной технологией биоремедиации почвы, которая предусматривает вспахивание загрязненных участков почвы, осадочных отложений или шлама и позволяет усилить взаимодействие грунта с окружающей средой. Загрязняющие вещества, грунт, климатические условия и биологические процессы динамично взаимодействуют друг с другом, образуя единую систему разрушения, трансформации и обездвиживания загрязняющих веществ. Вспахивание участка проводится регулярно для подачи воздуха в загрязненный грунт.

Вспахивание участка должно проводиться правильно, чтобы предотвратить негативные процессы (как на самом участке, так и за его границами), которые могут привести к загрязнению грунтовых и поверхностных вод и воздуха или загрязнению звеньев в цепи питания. Требуется обеспечить соответствующий контроль и принятие мер по защите окружающей среды.

По срокам осуществления методы запахивания и вспахивания относятся к среднесрочным и долгосрочным технологиям.

Метод запахивания еx situ оказался более эффективным в отношении нефтяных углеводородов. Поскольку более легкие и более летучие углеводороды (такие как газолин) легко обезвреживаются с помощью процессов, использующих их свойство летучести (технология почвенной паровой экстракции), то методы надземной биоремедиации, как правило, применяются только в отношении тяжелых углеводородов. Как показывает практика, чем выше молекулярный вес (и чем выше число ароматических колец у полициклических ароматических углеводородов), тем ниже интенсивность процесса деградации. Кроме того, чем более хлорированной или нитрированной является смесь, тем сложнее будет проходить процесс разрушения (Примечание: многие смешанные продукты или отходы имеют в своем составе летучие вещества, которые могут попасть в атмосферу еще до момента их разрушения).

К загрязняющим веществам, которые успешно обезвреживаются с помощью метода запахивания, относятся дизтопливо (№2 и №6), мазут, JP-5, нефтешлам, отходы консервантов древесины (ПХФ и креозот), отходы коксохимического производства и некоторые пестициды.

Были проведены многочисленные полномасштабные операции, особенно в отношении шлама, образованного в результате производственных процессов нефтяной отрасли. Как и при других методах биологической очистки, в результате запахивания при определенных условиях загрязняющие вещества превращаются в безвредные. Тем не менее эффективность очистки зависит от типа загрязнителя и его концентрации, типа почвы, уровня температуры, влажности, нагрузки загрязняющих веществ, частоты применения метода, интенсивности подачи воздуха, степени испарения и других факторов.

Ограничивающие факторы:

• Требуется большой участок земли.

• Условия, влияющие на процесс биологического разрушения загрязняющих веществ (температура воздуха, выпадение осадков), чаще всего невозможно контролировать, что увеличивает продолжительность процесса восстановления.

• Метод не действует в отношении неорганических загрязняющих веществ.

• Летучие загрязняющие вещества (такие как растворители) должны быть предварительно обработаны, так как они могут попасть в атмосферу и привести к загрязнению воздуха.

• Важным моментом является сбор пыли, особенно во время вспахивания и других важных процессов.

• Необходимо установить средства сбора утечки веществ и контролировать их работу.

• Для правильной разработки проекта участка необходимо изучить такие его характеристики, как топографические условия, уровень эрозии, климатические условия, уровень водопроницаемости и провести стратиграфический анализ почвы.

• Загрязняющие вещества могут входить в число загрязнителей, предусмотренных нормативно-правовыми нормами, ограничивающими применение технологий очищения (Land Ban), и, таким образом, в отношении них метод запахивания не может быть применен (например, некоторые виды нефтешламов).

4.14 Жидкофазный процесс биологической очистки

Жидкофазный процесс биологической очистки представляет собой контролируемый процесс очистки извлеченного грунта в биореакторе. Извлеченный грунт сначала превращается в отдельные камни и гравий. Затем грунт смешивается с водой до определенной концентрации в зависимости от содержания загрязняющих веществ, глубины биодеградации и физических характеристик грунта. В некоторых процессах сначала проводится промывка грунта для того, чтобы повысить концентрацию загрязняющих веществ. Чистый песок может быть удален, а на дальнейшую биообработку будут направлены загрязненные частицы и промывочная вода. Как правило, твердые отходы составляют 10-30% общего веса жидкой смеси.

Твердые отходы направляются в реактор, где они смешиваются с нутриентами и кислородом. В случае необходимости добавляется кислота или щелочь для регулирования уровня рН. Могут быть добавлены микроорганизмы, если необходимая популяция отсутствует в грунте. По завершении процесса биодеградации жидкая смесь грунта осушается. Осушение может быть произведено с помощью следующих устройств: отстойники, фильтры нагнетания, вакуумные фильтры, песочные площадки для сушки или центрифуги.

По продолжительности осуществления метод очистки с применением жидкофазного биореактора относится к краткосрочным и среднесрочным процессам.

Технологии биоремедиации успешно применяются для очищения почвы, шлама и осадочных отложений от взрывчатых веществ, нефтяных углеводородов, продуктов нефтехимии, растворителей, пестицидов, консервантов для древесины и других органических химикатов. Биореакторы успешно применяются в технологиях биологической очистки in situ для обработки неоднородных почв, почв с низкой проницаемостью, для осуществления процесса на таких участках, где сбор грунтовых вод затруднен, или в тех случаях, когда требуется провести процесс очистки в более сжатые сроки.

Жидкофазные биореакторы используются для обезвреживания негалогенированных полулетучих и летучих органических углеродов, находящихся в извлеченных массах грунта или осадочных отложений. Метод применим также и в отношении пиротехнических веществ.

Жидкофазные биореакторы, работающие с применением кометаболитов и специально адаптированных микроорганизмов, используются как в отношении летучих, так и полулетучих и органических углеродов, пестицидов и ПХБ, находящихся в извлеченных массах грунта или осадочных отложений.

Последовательно работающие анаэробные или аэробные жидкофазные биореакторы применяются для обезвреживания ПХБ, галогенированных полулетучих органических углеродов, пестицидов и пиротехнических веществ, находящихся в извлеченных массах грунта или осадочных отложений.

Ограничивающие факторы:

• Требуется проводить извлечение загрязненной среды (за исключением осуществления процесса в отстойнике).

• Процесс определения объемов материалов до их запуска в реактор может быть сложным и дорогостоящим. Могут возникнуть трудности с обработкой материалов, применяемых в отношении неоднородных и глинистых почв. Требуется удаление загрязняющих веществ в свободной фазе.

• Процесс осушения частиц грунта после очистки может оказаться дорогостоящим.

• Требуется подбор подходящего метода дальнейшего использования необработанных сточных вод.