![](/user_photo/2706_HbeT2.jpg)
- •Предисловие
- •Введение
- •Глава 1. Биологическая очистка сточных вод
- •1.1.Сточные воды как объекты очистки
- •1.2.Общие принципы очистки сточных вод
- •1.3.Биологические методы очистки сточных вод
- •1.4.Аэробная биологическая очистка
- •1.4.2.Основные биохимические процессы при аэробной очистке
- •1.5.Анаэробная биологическая очистка
- •1.5.1.Биоценозы и биохимические процессы при анаэробной очистке
- •1.6.Технологические схемы многостадийной биологической очистки сточных вод
- •1.7.Удаление биогенных элементов из сточных вод
- •1.8.Обезвоживание осадков очистных сооружений
- •1.9.Малые установки для локальных очистных сооружений
- •Глава 3. Переработка органических отходов
- •3.1.Общая характеристика отходов
- •3.2.Микробиологическая переработка органических отходов
- •3.2.1.1.Технологические особенности микробиологической конверсии в кормовой белок
- •3.2.1.5.Особенности переработки в кормовые продукты некоторых отходов
- •3.2.8.Биодеструкция растительных полимеров и материалов
- •3.2.9.Биодеградация синтетических полимерных материалов и использование биодеградируемых пластиков
- •3.3.Вермикультивирование и вермикомпостирование
- •3.3.1.Особенности дождевых червей как биологических объектов культивирования
- •3.3.2.Свойства продуктов и применение вермикультивирования и вермикомпостирования
- •3.3.3.Технологические основы вермикультивирования и вермикомпостирования
- •Глава 4. Биоремедиация почв
- •4.1.Основные факторы, влияющие на выбор способов ремедиации почв
- •4.2.Классификация методов и технологий ремедиации
- •4.3.Небиологические методы и технологии ремедиации
- •4.3.2.Методы in situ
- •4.4.Биологические и комбинированные методы
- •4.4.2.Биостимулирование in situ
- •4.4.7.Обработка в штабелях, буртах, насыпях, компостированием
- •4.4.9.Комбинированные и гибридные процессы
- •4.5.Специализированные биопрепараты
- •4.5.2.Биопрепараты для ликвидации загрязнений
- •4.5.3.Биопрепараты для рекультивации территорий и восстановления плодородия почв
- •4.6.Сравнение методов ремедиации
- •4.7.Практические работы и затраты при проведении биоремедиации
- •Сокращения
- •Оглавление
Биоремедиация почв |
597 |
товит» создан на основе ассоциативных азотфиксаторов. Препарат обогащает почву биологическим азотом, нормализует питание растений, повышает устойчивость растений к заболеваниям. Микроорганизмы, входящие в состав биопрепарата, продуцируют антибиотические вещества, подавляющие развитие в почве фитопатогенных микроорганизмов.
Фосфорное удобрение «Бактофосфин» повышает урожайность сельскохозяйственных культур в результате мобилизации нерастворимых соединений фосфора в почве, устойчивость растений к грибным заболеваниям, позволяет сократить расход фосфорных минеральных удобрений в 2 раза и более, восстановить биологическую активность почв в районе применения.
Препараты-биоактиваторы для растениеводства относятся к биологическим регуляторам, стимуляторам роста растений. Они стимулируют прорастание семян, развитие ризосферной микрофлоры, активируют фотосинтез, разложение пожнивных остатков, процесс формирования гумуса. Основу препаратов составляют регуляторы роста растений (фитогормоны гетероауксины, цитокинины, гиббереллины), другие биологически активные вещества, ассоциативные культуры бактерий – естественных обитателей прикорневой зоны растений, синтезирующих фитогормоны. Препараты также содержат микроэлементы, необходимые для питания растений.
4.6.Сравнение методов ремедиации
Эффективность использования тех или иных методов ремедиации определяется прежде всего целями и задачами очистки и зависит от многих локальных факторов: почвенно-климатических условий, физико-химических свойств очищаемой среды, характера и уровня загрязнений, уровня технических и са- нитарно-гигиенических требований к ремедиационным работам, формой хозяйственного использования земли после ремедиационных работ, необходимых сроков их выполнения, имеющихся технологических и технических возможностей, финансовых, экологических ограничений, отношений с административными органами и других факторов.
Если объем или территория загрязненной зоны небольшие, обычно используются методы ex situ или on site, за исключением случаев, когда изъятие загрязненного материала технически невозможно, например, на застроенных участках. Эти методы обеспечивают возможность создания оптимальных условий для очистки и ускоряют ремедиацию, однако требуют дополнительных затрат на сбор, складирование и обработку материала.
Использование способов очистки in situ наиболее эффективно, если загрязнение летучее, растворимо в воде и/или биодоступно, расположено в глубинных почвенных горизонтах, под зонами застройки или на большой территории, и почвы имеют высокую проницаемость и гомогенность. В ряде случаев методы in situ позволяют продолжать использование территории, содержащей загрязненные зоны, непосредственно в ходе ремедиационных мероприятий. Методы in situ сложно применять для очистки почв от биологически стойких, нелетучих и
598 |
Глава 4 |
нерастворимых соединений, какими являются, например, бензпирены и полихлорированные бифенилы, тяжелые металлы и радионуклиды.
При in situ очистке загрязненных почв возможны объемный, поверхностный и линейный подходы к проведению работ.
При объемном подходе целью ремедиации является удаление всей массы загрязнения из среды. Этот метод применим к участкам с небольшим количеством загрязнений, расположенным, например, в районах застройки, селитебных зон, автозаправочных станций, нефтебаз и др., и выполняется в относительно короткие сроки.
При поверхностном подходе решается задача предотвратить распространение загрязнения в вертикальном направлении, например, в водоносные горизонты или проникновение паров летучего загрязнения в жилые здания.
Основная цель при линейном подходе – предотвращение горизонтального распространения загрязнения. Ремедиационные средства монтируются в направлении вертикальной оси или плоскости, например, для извлечения загрязненных грунтовых вод через скважины или ряд вертикальных колодцев. Другим примером является сооружение биобарьера (биоэкрана) в вертикальной плоскости для биодеградации органических соединений или обездвиживания тяжелых металлов, мигрирующих через барьер.
Если время, в течение которого загрязнение должно быть удалено или нейтрализовано, не является решающим фактором, то могут быть использованы менее затратные экстенсивные методы очистки, в частности метод самоочищения (природного истощения). В этом случае задача ремедиационных мероприятий сводится к контролю за распространением загрязнений. Однако при высоких концентрациях загрязнений и их опасности для окружающей среды и человека применение методов самоочищения неприемлемо.
Интенсивными методами удаления загрязнений являются конвективный транспорт и биодеградация. Выбор наиболее эффективного метода определяется свойствами загрязнения, глубиной его проникновения, уровнем грунтовых вод. Если загрязнение летуче и находится выше грунтовых вод, то наиболее подходящим является метод экстракции почвенных газов. Если загрязнение нелетуче, водорастворимо и биоустойчиво, то лучшие результаты дает использование метода промывки. При наличии загрязнений ниже верхнего уровня грунтовых вод целесообразнее использовать метод промывки и метод барботирования в сочетании с методом экстракции почвенных газов. Недостатком таких интенсивных вариантов ремедиации является необходимость последующей очистки извлекаемых почвенных газов и вод, в то время как при экстенсивном методе бо‚льшая часть присутствующих в них загрязнений обезвреживается в результате естественных процессов самоочищения, поэтому стоимость очистки ниже интенсивных методов.
Небиологические методы ремедиации считаются более надежными по сравнению с методами биоремедиации (табл. 4.8, 4.9). Эффективность небиологических методов, как правило, мало зависит от характеристик загрязнений почвы и воды и практически не зависит от климатических условий места расположения загрязненного объекта. Ремедиационные работы при использовании физико-
Биоремедиация почв |
599 |
химических или химических методов могут длиться от нескольких дней до нескольких недель (в зависимости от масштаба проекта), процессы биоремедиации могут продолжаться от нескольких месяцев до нескольких лет.
Основными преимуществами биологических методов являются протекание процесса очистки в относительно мягких условиях, не изменяющих качество окружающей среды, значительно меньшие затраты на ее осуществление, высокая эффективность очистки. Стоимость биоремедиации (в условиях США) на 10–40% ниже, чем цена аналогичного проекта, выполненного при использовании физико-химических методов.
|
|
Таблица 4.8. |
Сравнение применения методов ремедиации и биоремедиации |
||
|
|
|
Показатели сравнения |
Ремедиация |
Биоремедиация |
|
|
|
Исследование приме- |
Стандартные анализы, даю- |
Комплексные междисци- |
нимости технологии для |
щие однозначный ответ |
плинарные исследова- |
очистки конкретного места |
|
ния, требующие высокой |
загрязнения |
|
квалификации |
|
|
|
Стандартизация примене- |
Высокая; однотипный метод |
Низкая; каждый проект |
ния технологии |
очистки разных мест загряз- |
требует индивидуальной |
|
нения |
разработки |
|
|
|
Воздействие на почву |
Жесткое: высокие температу- |
Мягкое: добавление |
|
ры, растворители, газы и др. |
природных субстратов, |
|
|
биогенных элементов, |
|
|
микроорганизмов |
|
|
|
Длительность очистки |
Дни, недели |
Месяцы, годы |
|
|
|
Надежность технологий |
Высокая; мало зависит от осо- |
Низкая; сильно зависит |
|
бенностей места загрязнения |
от особенностей места |
|
|
загрязнения |
|
|
|
Стоимость среднего про- |
|
60–90% от стоимости |
екта |
|
ремедиации |
|
|
|
Потенциальная экологиче- |
Образование опасных проме- |
Возможно образование |
ская опасность |
жуточных продуктов неполного |
опасных продуктов не- |
|
разложения загрязнения |
полной биодеградации |
|
|
загрязнения; требуется |
|
|
оценка возможных по- |
|
|
следствий интродукции |
|
|
организмов |
|
|
|
![](/html/2706/197/html_STgq3p52MZ.Tczp/htmlconvd-19xrSK601x1.jpg)
Таблица 4.9.
Варианты in situ ремедиации на примере обработки драгированных осадков из водных каналов и рек
Вариант |
Вид |
Наблюдаемый результат |
Технологическое |
Реализуемость |
|||
ремедиации |
загрязнения |
|
исполнение |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
ЗЭ1 |
ЭЭ |
1 |
|
2 |
|
3 |
4 |
5 |
6 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Стимулирование |
Органика |
Увеличение скорости де- |
Инжекция кислорода |
– |
– |
||
аэробной микроб- |
|
(ПАУ, минераль- |
|
градации при добавлении |
|
|
|
|
|
Рыхление осадков |
–/+ |
– |
|||
ной деградации |
|
ное масло и др.) |
|
акцепторов электронов |
|||
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
Добавление нитрата в качестве акцептора |
– |
–/+ |
|
|
|
|
|
электронов |
|
|
|
|
|
|
|
Добавление гуминовых веществ в качестве |
–/+ |
+ |
|
|
|
|
|
акцепторов электронов |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Применение биологического экрана или аль- |
–/+ |
+ |
|
|
|
|
|
тернативных реактивных зон, если необхо- |
|
|
|
|
|
|
|
димо, объединенных с электрокинетическим |
|
|
|
|
|
|
|
транспортом |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Повышение скорости дегра- |
Внесение специально отобранных микро- |
– |
+ |
|
|
|
|
дации путем привнесения |
организмов |
|
|
|
|
|
|
микроорганизмов |
|
|
|
|
|
|
|
Внесение адаптированных организмов |
–/+ |
–/+ |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Повышение скорости де- |
Добавление питательных компонентов |
– |
– |
|
|
|
|
градации при добавлении |
|
|
|
|
|
|
|
питательных компонентов |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Повышение скорости |
Деградация загрязнений в почве вблизи |
+ |
+ |
|
|
|
|
деградации при изменении |
корней растений |
|
|
|
|
|
|
условий окружающей среды |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Стимулирование |
|
Хлорированная |
|
Увеличение скорости дегра- |
Временное отклонение рукавов реки или |
–/+ |
0 |
микробиологи- |
|
органика |
|
дации при изменении усло- |
драгирование заливов (бухт) |
|
|
че-ского восста- |
|
|
|
вий окружающей среды |
|
|
|
но-вительного |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Увеличение скорости де- |
Применение микробных матов |
–/+ |
+ |
|
дехлорирования |
|
|
|
||||
|
|
|
градации при добавлении |
|
|
|
|
|
|
|
|
Добавление доноров электронов к изолирую- |
–/+ |
+ |
|
|
|
|
|
доноров электронов |
|||
|
|
|
|
|
щим слоям, экранам из глины и др. |
|
|
600
4 Глава
![](/html/2706/197/html_STgq3p52MZ.Tczp/htmlconvd-19xrSK602x1.jpg)
Продолжение таблицы 4.9.
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Стимулирование |
Металлы (Ni, |
Потребление металлов рас- |
Выращивание растений (например, ивы или |
–/+ |
+ |
|
биологического |
Zn, Cu, Cd) |
тениями (фитоэкстракция) |
осоки), сбор и сжигание |
|
|
|
концентрирова- |
|
|
|
|
|
|
Фосфаты |
Потребление фосфатов рас- |
Выращивание растений, сбор и сжигание |
–/+ |
+ |
||
ния и удаления |
||||||
|
тениями (фитоэкстракция) |
|
|
|
||
загрязнений |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
Использование |
Все, если они |
Химическое окисление или |
Добавление окислителей (например, H2O2) |
– |
– |
|
химической |
могут быть |
восстановление загрязнений |
|
|
|
|
трансформации |
окислены или |
|
Электрокинетическая миграция |
– |
– |
|
|
восстановлены |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Металлы |
Осаждение металлов в виде |
Подвод инфильтрацией соленых, сульфатсо- |
+ |
0 |
|
|
|
сульфидов |
держащих вод |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Конструирование заболоченных территорий |
–/+ |
+ |
|
|
|
|
(болотистых зон) |
|
|
|
Фиксирование |
Металлы |
Осаждение металлов в виде |
Увеличение pH путем добавления извести |
–/+ |
–/+ |
|
загрязнений |
|
гидроксидов или нераство- |
или альтернативных гидроксидов |
|
|
|
(сорбция или им- |
|
римых комплексов |
|
|
|
|
мобилизация) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Осаждение или адсорбция вблизи или на |
+ |
+ |
|
|
|
|
корнях растений (фитостабилизация) |
|
|
|
|
|
Связывание металлов в не- |
Добавление цементов (и других добавок, |
–/+ |
+ |
|
|
|
органическую матрицу |
если необходимо) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Остекловывание с использованием электри- |
– |
– |
|
|
|
|
ческого тока |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Адсорбция металлов на |
Применение экрана из глины (например, с |
–/+ |
+ |
|
|
|
поверхности глины или алю- |
цеолитами или берингитом, если необходи- |
|
|
|
|
|
мосиликатов |
мо) |
|
|
|
|
|
|
Применение изолирующего слоя |
–/+ |
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Применение адсорбционных материалов на |
–/+ |
+ |
|
|
|
|
основе известняка |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Адсорбция на корнях растений |
Посадка растений |
–/+ |
+ |
|
|
|
|
|
|
|
почв Биоремедиация
601
![](/html/2706/197/html_STgq3p52MZ.Tczp/htmlconvd-19xrSK603x1.jpg)
Окончание таблицы 4.9.
1 |
|
2 |
3 |
|
4 |
5 |
6 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Органика |
Адсорбция органических |
Применение экрана из глины с добавлением |
–/+ |
+ |
|
|
|
|
загрязнений на поверхно- |
органического вещества (гуминового мате- |
|
|
|
|
|
|
сти глин и/или абсорбция в |
риала) и/или кислородобразующих соедине- |
|
|
|
|
|
|
органическом материале |
ний, если необходимо |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Применение изолирующего слоя из глины |
–/+ |
0 |
|
|
|
|
|
или компоста (и кислородобразующих со- |
|
|
|
|
|
|
|
единений, если необходимо) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Добавление материалов на основе извест- |
–/+ |
+ |
|
|
|
|
|
няка |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Адсорбция на корнях рас- |
Выращивание растений |
–/+ |
+ |
|
|
|
|
тений |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Фосфаты |
Осаждение в виде фосфатов |
Инжекция хлорида железа или сульфата |
– |
– |
|
|
|
|
железа |
железа |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Уменьшение |
Все загрязне- |
Увеличение гидрологиче- |
Применение изолирующего слоя |
+ |
0 |
||
адвективной |
|
ния |
ской устойчивости |
|
|
|
|
|
|
Уплотнение осадков |
–/+ |
0 |
|||
дисперсии по |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Уменьшение эрозии берегов |
|
Выращивание растений |
+ |
+ |
|
отношению к |
|
|
|
||||
|
|
и смыва |
|
|
|
|
|
поверхностным |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
водам |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Гидрологическое изолиро- |
|
Отклонение ручьев |
+ |
0 |
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
вание |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Уменьшение |
|
Все загрязне- |
Повышение гидрологиче- |
|
Применение экрана из глины |
+ |
+ |
адвективной |
|
ния |
ской устойчивости |
|
|
|
|
дисперсии по |
|
|
|
|
|
|
|
отношению к грун- |
|
|
Гидрологическое изолиро- |
|
Контроль уровня воды |
+ |
0 |
товым водам |
|
|
вание |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Воздерживаниеот |
|
Все загрязнения |
Уменьшение риска |
|
Изменение функции водного пути или окружения |
+ |
0 |
каких-либодействий |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 Примечание: ЗЭ – затратно-эффективная технология; символы (–, –/+, +) означают качественную оценку от относительно неблагоприятных условий реализуемости до относительно благоприятных; 0 – нет оценки (оценка зависит от специфических локальных условий).
ЭЭ – экологически эффективная технология. Символы (–, –/+, +) означают качественную оценку от относительно негативного эффекта до относительно позитивного; 0 – нет оценки (оценка зависит от специфических локальных условий).
602
4 Глава
Биоремедиация почв |
603 |
Биологические методы не могут использоваться в зонах с высокой концентрацией загрязнений, если загрязнение небиодоступно, если возможно образование токсичных продуктов биотрансформации.
При использовании биоремедиации необходимо создание условий, обеспечивающих активность микроорганизмов: аэрации, pH, температуры, влажности, солености, достаточных количеств биогенных элементов и других компонентов питания в формах, доступных для микробных клеток. Высокие концентрации поллютантов могут ингибировать развитие микроорганизмов, в то время как слишком низкие – не обеспечивать микроорганизмы энергией для роста, а кометаболизм загрязнений при потреблении альтернативного источника энергии затруднен. Биодоступность загрязнений может ограничиваться вследствие, например, их адсорбции глинистой фракцией или почвенным органическим материалом, иммобилизацией в порах с меньшим диаметром, чем размер клеток бактерий. При многокомпонентном загрязнении возможно удаление лишь наиболее доступных составляющих. При очистке глубоких почвенных горизонтов могут возникнуть трудности с обеспечением оптимальных условий протекания биологических процессов.
При выборе биоремедиации как метода очистки важно учитывать возраст загрязнения, попавшего в природную среду. Если загрязнения – органические ксенобиотики и застарелые, то существует большая вероятность появления в таких средах микроорганизмов-деструкторов, способных разлагать данные поллютанты. В этом случае система мер по обезвреживанию загрязнений и ремедиации почв сводится к оптимизации условий в почвенной среде, обеспечивающих активность биодеструкторов с помощью методов in situ, обеспечению транспорта субстратов и минерального питания к микроорганизмам. Основные технические приемы для стимулирования биодеградации включают промывку почвы, экстракцию (откачку) почвенных растворов и газовой среды под вакуумом, горизонтальным дренированием или через колодцы, барботирование (нагнетание) воздуха в подпочвенные слои. Преимущества применения метода стимулирования: не требуется получать специальные разрешения на применение микроорганизмов-биодеструкторов и относительно низкие затраты. Однако этот метод можно использовать только при невысоком уровне загрязнения. При аварийных ситуациях и высоких уровнях загрязнения он неэффективен.
При высоком уровне и небольшом сроке загрязнения целесообразен метод биоаугментации. Микроорганизмы для этого метода могут быть выделены непосредственно из загрязненных сред или используются имеющиеся биопрепараты. Микроорганизмы вносятся в загрязненную среду вместе с другими добавками, обеспечивающими их жизнедеятельность. Данный способ повышает скорость ликвидации загрязнений и может быть эффективен при высоком уровне загрязнения. Для реализации способа биоаугментации требуются предварительные лабораторные и экспериментальные исследования на каждом объекте для подбора необходимых микроорганизмов, дополнительные затраты на накопление их биомассы, а также получение специальных разрешений на применение биопрепаратов.