По данным за 1998 г., доля проектов с использованием биологических методов ремедиации и очистки почв и подземных вод, финансово поддерживавшихся в рамках программ сотрудничества стран НАТО, составила около 35% (табл. 4.10).

Таблица 4.10.

Число проектов в рамках сотрудничества стран НАТО по развитию технологий ремедиации почв и очистки подземных вод

(по M. A. Smith et al., 1998)

ВГермании в 1996 г. из примерно 500 промышленных участков 50% были очищены и восстановлены путем извлечения с последующим возвращением почвы, 32% обработаны средствами деконтаминации, включающими прокачку и очистку грунтовых вод и технику экстракции почвенного воздуха, и 18% – методами изоляции (сооружение стен).

В1997 г. в Германии действовали 107 стационарных установок общей мощностью 3,8 млн т/год для обработки загрязненных почв методом ex situ, в том числе:

4 установки термической обработки (общая мощность 168 тыс. т/год)

24 установки промывки почвы (1,5 млн т/год)

81 установка биологической очистки (2 млн т/год).

В России только нефтегазодобывающими предприятиями при использовании биологического метода очищается в среднем 2000 га почв ежегодно. Методы биоремедиации нефтезагрязненных почв широко применяются в США, Великобритании, Канаде.

4.7.Практические работы и затраты при проведении биоремедиации

При проведении биоремедиации состав практических мероприятий по очистке территории или предотвращению миграции загрязнений зависит от конкретной ситуации и может включать: первичное обследование контаминированного участка, определение наиболее подходящих методов биоремедиации, планирование работ, оценку факторов, которые могут влиять на результаты работ,

подбор биопрепаратов или других биологических агентов, непосредственное проведение биоремедиации, мониторинг уровня загрязнений, оценку риска и затрат. Из приведенного ниже перечня ремедиационных работ и сопутствующих мероприятий в реальной ситуации выполняется лишь часть из них в связи с отсутствием необходимых материалов (карт, данных мониторинга и т. п.), ограниченности ресурсов и времени, невозможности получения всего объема информации.

Вся цепь мероприятий может быть завершена в течение 2–5 лет и более.

4.7.1. Основные этапы биоремедиационных работ

1. Первичное обследование, характеристика загрязненного участка и планирование биоремедиационных работ

Перед началом работ проводится гидрогеологическая разведка, определяются зоны загрязнения и концентрации поллютанта в почве, оценивается агротехническое состояние почвы, выполняются санитарно-гигиенические исследования.

На данном этапе, если возможно, используются карты и разрезы, на которых имеются сведения о гидрогеологических и гидрохимических условиях: геологическая, геоморфологическая и гидрогеологическая карты, карты почв и грунтовых вод, минерализации и химического состава грунтовых вод, засоления пород зоны аэрации, засоления почв с масштабом, позволяющим локализовать загрязненные участки. Карты должны отражать характер распространения, условия залегания, литологический состав, водопроницаемость, водоотдачу водовмещающих пород, динамику, качество и количество подземных вод в разрезе изучаемой территории. В ряде случаев имеются специализированные карты, составляемые в связи с практическим использованием подземных вод для водоснабжения, лечебных целей, теплофикации, поисковых критериев на полезные ископаемые и добычи минерального сырья, захоронения вредных промышленных стоков, искусственного восполнения подземных вод и т. п. Могут существовать также оценочные и хронологические гидрогеологические карты, которые содержат результаты оценки гидрогеологических условий или процессов применительно к решению тех или иных задач. Они отражают взаимодействие природных и инженерных систем, изменение во времени подземных вод под влиянием естественных факторов и деятельности человека. Для оценки загрязненных территорий конкретных городов, хозяйств удобно использовать карты масштабом 1 : 10000, 1 : 5000.

Сведения о физико-механических, водно-физических свойствах пород, характер распространения загрязнения, гидрогеологическая и гидрогеохимическая обстановки уточняются с помощью анализа отобранных образцов почв и воды, буровых скважин, мониторинговых колодцев. Могут использоваться и дополнительные геофизические средства, в частности измерение электромагнитной проводимости и магнитометрии, прокачка и нагнетание вод для получения сведений о структуре глубинных слоев.

606 Глава 4

При проведении полевых работ намечаются точки отбора проб и/или буровых скважин, наблюдательных колодцев, число повторных отборов и промежутки времени между ними, при необходимости используются статистические методы планирования эксперимента. По результатам полевого обследования, анализа образцов почв, гидрогеологической разведки, обследования наблюдательных скважин или колодцев определяют:

преобладающие типы и подтипы почв и их распределение в контаминированной зоне; состояние растительного покрова, степень деградации, эродированность почвенного покрова и характер эрозионных процессов, их интенсивность; водопроницаемость и влагоемкость почвы, ее структуру, степень плодородия;

хозяйственное использование земель, водный режим (промывной, непромывной), проводились ли мелиоративные работы на участке;

уровень залегания и характер движения грунтовых вод;

вид загрязнения, класс токсичности поллютанта, площадь и глубину распространения загрязнений, распределение загрязняющих веществ по почвенному профилю, скорость их миграции, уровни загрязнения почвы и воды с учетом вариабильности результатов анализов, оценочную общую массу, объем, растворимость, биодоступность загрязнения и т. п.;

степень закисления поверхностных и подземных вод, почвенного покрова, окислительно-восстановительные условия в контаминированной зоне, аэрированность, содержание общего, аммонийного, нитратного азота, подвижного фосфора и подвижного калия, карбонатов и гидрокарбонатов, состав и общее содержание солей в водных вытяжках, их буферность, щелочность, типоморфные элементы или ионы;

целесообразность использования структураторов и мелиорантов, наличие в близлежащей местности ресурсов природных материалов, различных отходов, пригодных для мелиорации и рекультивации;

наличие и количество микроорганизмов-деструкторов загрязнений на обследуемом участке, их активность, распределение численности по почвенному профилю;

наличие или отсутствие санитарно-показательных микроорганизмов и патогенов для человека, животных и растений;

факторы, которые могут либо неблагоприятно влиять на биологическую активность микроорганизмов-деструкторов, либо способствовать развитию нежелательных микроорганизмов.

Обследованный участок разделяют на зоны по уровню загрязненности.

Категория 1. Чистая почва – концентрация загрязнений ниже порогового уровня. Почва может использоваться для выращивания сельскохозяйственных культур.

Категория 2. Концентрация загрязнений в почве и в выщелаченных растворах ниже порогового уровня. Почва может быть использована для агротехнических или рекреационных целей. Изоляция участка не требуется.

Категория 3. Концентрация загрязнений в почве ниже порогового значения, однако концентрация в дренажных растворах превышает пороговый уровень. Почва может быть использована для агротехнических целей при ограничении доступа на участок.

Категория 4. Концентрация загрязнений выше порогового уровня, но не превышает уровня токсичности для почвенной биоты. Возможно использование биоремедиационных методов очистки. Доступ на участок ограничен.

Категория 5. Концентрация загрязнений выше порогового уровня и превышает уровень токсичности для почвенной биоты. Для первичной очистки возможно использование только небиологических методов. Доступ на территорию ограничен.

2. Выбор метода и технологии ремедиации

После работ по характеристике участка проводятся тестовые лабораторные и пилотные исследования с использованием почвы с загрязненного участка и полевые испытания.

В полном объеме второй этап проводят в три стадии:

Лабораторные эксперименты; используемые объемы образцов из места загрязнения 5–10 кг (5–10 л). Комиссионная оценка испытываемых методов.

Пилотные исследования; используемые объемы образцов из места загрязнения 50–100 кг (50–100 л) или более.

Маломасштабные полевые испытания.

При проведении этих работ важно, по возможности, обеспечивать условия в почвенных средах, аналогичные в контаминированной зоне.

Необходимость предварительных тестовых экспериментов обусловлена:

специфичностью каждого конкретного загрязненного участка (свойства почв, характер загрязнения);

возможной высокой вариабильностью результатов оценки уровня загрязнений в отобранных образцах почвы и воды (коэффициенты вариации данных при определении концентрации загрязнений в одной и той же точке отбора могут достигать 200% и более, что обусловлено как несовершенством методик отбора и подготовки образцов, химического анализа, так и изменчивостью условий в точке отбора);

отсутствием достаточного объема исследований и практического опыта в использовании методов биоремедиации;

необходимостью оценки стоимости очистки, эколого-экономического эффекта, а в случае неблагоприятной оценки биоремедиационного метода – выбором альтернативных вариантов с учетом затрат и требуемого времени.

По мере получения данных возможно корректирование плана отбора проб и уточнение описания участка. При необходимости проводятся дополнительные исследования, результаты обрабатываются с использованием статистических методов, составляются карты уровней и направлений миграции загрязнений,

состояния почвенной биоты с учетом возможной биотоксичности загрязнения и почвенных условий.

3. Разработка схемы и технологии проекта

На этом этапе с учетом результатов, полученных при выполнении первого и второго этапов работы, разрабатываются схема и технология биоремедиации загрязненной среды. Составляются технологическая карта мероприятий, схемы внесения мелиорантов, структураторов, сорбентов, минеральных удобрений, других добавок. Прогнозируются скорость очистки и время биоремедиации, необходимые агротехнические, мелиоративные, технологические, химико-ана- литические, административно-организационные мероприятия, требуемое оборудование и ожидаемые затраты.

4. Подготовительные мероприятия

Этот этап может включать: очистку территории от мусора, растительности; установку и монтаж системы очистки (передвижной насосной станции, разводящих трубопроводов, фильтров, клапанов и задвижек, оборудования для очистки воды и воздуха, контрольно-измерительных устройств), наблюдательных скважин; локализацию загрязнений (например, при разливе нефти), установку боновых ограждений, глиняных экранов; откачку и транспортировку излишков контаминанта в места приема; подготовительные ирригационные, мелиоративные, противоэрозионные и другие агротехнические мероприятия; подготовку биологического объекта; организацию подъездных путей к участку; подготовку рекультивационных площадок; установку ограждений, информационных знаков, запрещающих выпас скота, разведение костров и т. п.

При использовании методов промывки, биостимуляции и биоаугментации ирригационные и мелиоративные мероприятия проводятся с целью улучшения механических и физико-химических свойств почвенной среды, создания благоприятного для биодеструкционной активности водно-воздушного, теплового и кислотно-щелочного режимов почв. Содержание работ различается для почв разного типа и с разной степенью загрязненности. Возможно использование глубинной вспашки, дренирования, рассоления, землевания (покрытие слоем почвы), пескования, известкования, гипсования, внесения структураторов, мелиорантов, сорбентов, органических и минеральных удобрений.

При подготовке к обработке обводненных территорий, торфяно-болотных почв и использовании метода промывки благоприятный водный режим создают с помощью осушения, дренирования. Содержание и объем этих работ зависят от степени заболоченности, путей поступления избыточной влаги, схемы промывки.

При поверхностном увлажнении участка избыточная влага собирается в открытые траншеи, искусственные ложбины, закрытый дренаж и коллекторы. Можно применять выборочное бороздование, формирование гряд и гребней, защитных дамб. Повышению водопроницаемости способствуют крото-

вый и щелевой дренажи, глубокое рыхление, вспашка, внесение структураторов (глубокое мульчирование глин, пескование торфа) и мелиорантов, уменьшение глубины промерзания, ускорение оттаивания почвы.

Для снижения уровня грунтовых вод используются каналы, открытый или закрытый дренаж, разгрузочные скважины, вертикальные щелевые углубления естественных дрен, заиление (кольматаж) поверхности, антифильтрационные завесы, ограничивающие поступление влаги в водоносные горизонты.

Открытые дренажные траншеи обычно делают параллельно друг другу и при минимальном уклоне 0,005 м и длине 800–1500 м. Они выводятся в проводящие каналы под углом 60–90°, в сечении с минимальной шириной по дну 0,4 м, глубиной в зависимости от свойств почвы до 1,5 м. Расстояние между дренами не более 120 м. Для закрытого дренажа применяются керамические, пластмассовые трубы или деревянный дренаж.

Кротовые дрены – система подземных ходов, проложенных с заданным уклоном (не менее 0,002–0,003 м). Щелевой дренаж – вертикальные щели в почве различного размера. Расстояние между дренами зависит от типа почвы, ее гранулометрического состава и характера увлажнения.

Для рассоления загрязненных почв, предупреждения вторичного засоления и, как следствие, возникновения дополнительной экологической проблемы, в частности в регионах с засушливым климатом, используется дренаж, сброс минерализованной воды и дополнительные периодические промывки почв. Для промывки пригодна вода с концентрацией солей до 1 г/л. Особенно нежелательно присутствие в воде Na2CO3. Вода большинства поверхностных источников, которая может быть использована для орошения и промывки, содержит 0,2–0,3 г/л солей.

В редких случаях для ускорения вымывания солей из засоленных почв тяжелого гранулометрического состава возможна обработка почвы серной кислотой, электромелиорация (на почву накладывают электрическое поле: электрод сверху и электрод на глубине, что приводит к ускорению подтока солей к электродам).

Из широко применяемых в сельском хозяйстве противоэрозионных мероприятий для ремедиации загрязненных почв используется контурная вспашка и террасирование на склонах. Контурная вспашка проводится перпендикулярно склону. В результате вода задерживается в бороздах, предотвращается поверхностный сток и эрозия. Террасирование – это оформление склонов в виде ступеней. Для предупреждения распространения загрязнений ветровой эрозией в системе ремедиационных мероприятий могут предусматриваться лесозащитные полосы, т. е. посадка рядов деревьев, кустарников вокруг загрязненных территорий, а также внесение органических структураторов и мелиорантов. В обогащенной органическим веществом и структурированной почве поверхностный сток легче переводится во внутрипочвенный и эрозионные процессы протекают менее интенсивно. В настоящее время разработаны полимерные структурообразователи и закрепители грунта, которые могут использоваться в качестве противоэрозионных средств. Эти материалы достаточно пористые, проницаемые для корней растений и не содержат токсичных веществ.

Из мелиоративных мероприятий наиболее часто применяются гипсование и известкование, пескование, внесение органических и минеральных удобрений.

Если почва имеет щелочную реакцию, то ее предварительно нейтрализуют химическими мелиорантами, обычно гипсом. Возможно использование и отработанной серной кислоты, сульфатов железа с последующей промывкой водой и удалением избыточного количества солей. Для повышения pH в кислых почвах применяют известкование. Такой прием приводит к уменьшению подвижности тяжелых металлов, одновременно повышает скорость микробной деградации органических веществ и в то же время высвобождение органических ксенобиотиков. На тяжелых глинах эффективно добавление силикатов (песка и других материалов), улучшающих механическую структуру почв, условия аэрации, доступность фосфатов и других биогенных веществ. Для уменьшения потери влаги от испарения с поверхности почвы применяют мульчирование.

Внесение органических материалов, удобрений не только улучшает структуру почв, но и обеспечивает микроорганизмы доступными источниками углерода и энергии, минеральным азотом, что активирует их деятельность. При использовании удобрений при биоремедиации важно поддерживать оптимальное соотношение углерода и азота в почвах, контролировать химическое, биологическое и санитарно-гигиеническое состояние почв. Применяемые удобрения должны соответствовать нормам по содержанию токсичных веществ, тяжелых металлов, патогенных микроорганизмов.

5.Проведение ремедиационных работ

6.Депонирование осадков, отходов, демонтаж установки

Содержание работ на этапах 5 и 6 определяется конкретными условиями и выбранным методом очистки. Более подробно они охарактеризованы в разделе 5.4 на примере фиторемедиации загрязненных сред и в главе 7 при рассмотрении очистки природных сред от нефти и нефтепродуктов.

7. Рекультивационные работы. Мероприятия по восстановлению ландшафта. Фи-

томелиорация

В современной системе очистки почв и восстановления загрязненных территорий рекультивация используется на финишных стадиях проводимых мероприятий (см. разд. 4.5.3, 7.5). Она может включать:

пробный посев культур для оценки фитотоксичности почв, интенсификации процессов биодеградации, улучшения агрофизических свойств почвы;

мелиоративные мероприятия: глубокая вспашка, приводящая к рассеиванию токсичных веществ, известкование, внесение материалов, сорбентов (активные угли, цеолиты), способных связывать остаточные количества загрязнений в малоподвижные формы и снижать их поступление в растения; в водоемах для снятия остаточных загрязнений применяют экологически чистые гидрофобные сорбенты: торф, вермикулит и др.; возможно применение различных удобрений, бактериальных препаратов, способствующих восстановлению функций почв; ландшафтовосстанавливающие мероприятия: выравнивание поверхности, террасирование, планировка и формирование откосов, снятие,

транспортировка, нанесение плодородного слоя почвы на рекультивируемые земли, строительство дорог, гидротехнических, мелиоративных сооружений, формирование конечного рельефа, обеспечивающего создание благоприятных условий для целевого освоения нарушенных земель, эстетического восприятия восстановленной территории; современные биоинженерные технологии, методы экстремального озеленения, предусматривающие инициирование почвообразования и формирование почвенно-растительного покрова непосредственно на месте проведения работ путем подбора и внесения органических субстратов, минеральных удобрений, стабилизаторов почвы, растительных волокон, повышающих влагоемкость, водопроницаемость и устойчивость почвы к эрозии, использование габионов, биоматов, гео- и биотекстиля и т. п. (см. разд. 5.3.2, 6.2.2); внесение в почву биопрепаратов, повышающих устойчивость растений к

различным неблагоприятным факторам, стимулирующих развитие их; подбор и посев многолетних растений, устойчивых к загрязнениям, отличающихся быстрым ростом, надежным вегетативным размножением или семенами в соответствующих климатических и почвенногидрологических условиях; восстановление естественного растительного покрова и биоценозов или создание культурных фитоценозов; другие агротехнические и биотехнологические приемы, способствующие максимальному задернению нарушенных территорий, снижению интенсивности эрозионных процессов, возврату почвы в сельскохозяйственное пользование.

8. Сдача объекта заказчику. Получение акта об эффективности проведенных работ в соответствии с техническим заданием на их проведение и действующими стандартами. Оценка эколого-экономического эффекта от ликвидации загрязнения, воз-

действия проводимых мероприятий на окружающую среду, остаточного экологического риска и форм хозяйственного пользования восстановленных территорий

В российской практике традиционная оценка результатов природоохранной деятельности во многом основана на оценке эколого-экономической эффективности проведенных ремедиационных и рекультивационных работ. Применительно к этим работам она может включать анализ данных о состоянии контаминированных сред после очистки, затрат на проведенные мероприятия, расчет эколого-экономических эффектов в соответствии с существующими методиками (см. разд. 12.2). Основными экологическими критериями успешного проведения очистных работ являются перевод очищаемых сред и территорий в состояние, соответствующее санитарно-гигиеническим и экологическим нормам, снижение концентрации загрязнений до допустимых уровней, предусмотренных нормативами ПДК или согласованных с территориальными органами государственного контроля. При несоблюдении этих условий предпринимаются дополнительные меры по очистке.

При оценке воздействия на окружающую среду проводимых ремедиационных и рекультивационных работ (см. разд. 12.3) учитывается их воздействие на

почву, водную среду и атмосферный воздух, животный и растительный мир. Отрицательные эффекты могут быть связаны, в частности, с попаданием избытка минеральных удобрений в почву и воду в результате неправильного применения и хранения, с загрязнением выхлопными газами автотранспорта (бульдозеров, транспортеров и т. п.), используемого для производства работ, выхлопов двигателей маломерных судов, насосов во время работ на водоеме, проливами го- рюче-смазочных материалов, выдавливанием тяжелой техникой больших масс загрязнения на поверхность и в грунтовые воды при проведении работ на заболоченных участках, что может привести к попаданию загрязнений в сопряженные ландшафты, с ремонтом, мойкой техники, нарушением участков водоохранных зон поверхностных водных объектов, шумовым воздействием, попаданием различных отходов в окружающую среду.

Комплекс проводимых работ должен предусматривать систему мероприятий, минимизирующих воздействие на окружающую среду, ограничений на выполнение определенного рода работ на территориях водоохранных и селитебных зон, соблюдения правил техники безопасности, наличие сертификатов на используемые материалы и средства.

В ряде стран при анализе эффективности природоохранных мероприятий часто используется оценка риска (см. разд. 12.3). В оценке риска при очистке загрязненных территорий, различных объектов учитываются экологическое воздействие проводимых очистных работ, экологические риски, возникающие при использовании очищенных территорий, объектов, экологические риски, обусловленные остаточным загрязнением (остаточные экологические риски). Польза от использования очищенных объектов должна превышать остаточные экологические риски.

При анализе экологического риска при использовании очищенных объектов оценка может включать выявление ключевых факторов, обусловливающих риск, пути поступления загрязнений с учетом сроков очистки, анализ текущей ситуации без активных воздействий на экосистему и ситуации проведения различных сценариев биоремедиации и альтернативных технологий восстановления. Учитывают снижение ущерба здоровью населения, воздействие на животных, обитающих на загрязненной и очищенной территории. В условиях скудности данных методики расчетов упрощаются и адаптируются к каждой конкретной ситуации. При ожидаемом относительно небольшом воздействии загрязненного участка на окружающую среду требования к оценке риска, содержанию и объему анализируемых данных минимальны и увеличиваются с возрастанием масштабов загрязнений и неблагоприятных воздействий. По результатам оценки определяют вариант, при котором можно ожидать наименьшего экологического риска.

Применительно к очистке территорий при невысоком остаточном содержании загрязнений мелиоративные и рекультивационные мероприятия, как правило, позволяют восстановить почвы и вернуть их в сельскохозяйственное пользование. При средней степени остаточного загрязнения возможно использование очищенных земель для выращивания технических (непищевых) культур, в рекреационных целях (ландшафтные парки) с периодическим проведением комплекса мелиоративных мероприятий. При высоком уровне остаточ-

ного загрязнения сельскохозяйственная деятельность, использование земель для подсобных участков и личных целей запрещаются, мелиоративные работы продолжаются.

4.7.2. Мониторинг

На всех этапах ремедиации необходимо проведение мониторинга (см. разд.10.1), включающего химико-аналитические исследования для выбора оптимальной технологии, аналитические и биологические методы для контроля за динамикой процесса очистки и оценки экологического риска.

Мониторинг проводят в соответствии с разработанным планом, в котором предусматриваются: число и места точек отбора с очищаемых участков, контрольных точек (в неконтаминированных участках, но со схожими почвенногидрологическими условиями); периодичность отбора, оптимальное время отбора и погодные условия, при которых результаты будут наиболее воспроизводимы и достоверны; анализируемые параметры; средства и методы анализа; требования к точности результатов и прогнозным оценкам, методы обработки результатов; формы отчетности. Число, места и периодичность отбора проб намечают с учетом требований к уровню достоверности получаемых результатов и прогнозных расчетов.

При ремедиации почв in situ основными контролируемыми параметрами являются концентрация загрязнений в почве, грунтовых водах, почвенных газах и миграционные потоки загрязнений. Для измерения их величин используются наблюдательные колодцы или скважины или производятся необходимые замеры в отбираемых в ходе очистки образцах почвы, водах или газах. Одновременно отслеживаются:

механические и физические свойства почв, физико-химические показатели почвенных вытяжек, водных растворов;

концентрация кислорода в грунтовых водах и почвенных газах, окислительно-восстановительные условия в загрязненных зонах;

содержание биогенных элементов, минеральных компонентов питания для микроорганизмов;

скорость биологической деградации, которую можно вычислить, например, по изменению содержания кислорода или CO2 в воде и газах;

уровень грунтовых вод и направление их движения;

давление и скорость течения в нагнетательных и приемных коллекторах и фильтрах воды и газов;

численность микроорганизмов-деструкторов, санитарно-показательных микроорганизмов;

эксплуатационный пробег оборудования.

При очистке замкнутых водоемов и водных поверхностей контролируются:

наличие и концентрация загрязнений на поверхности, в объеме воды в донных отложениях; глубина водоема;

физико-химические и химические свойства воды: рН, поверхностная и придонная температура, прозрачность, содержание кислорода в поверхностном и придонном слое, содержание в воде и донных отложениях биогенных элементов – калия, фосфора, азота;

общее микробное число в воде, содержание в воде и донных отложениях микроорганизмов-деструкторов и санитарно-показательных организмов;

характеристика гидробионтов (макрозообентос, зоопланктон, фитопланктон), биоиндикаторные показатели (индекс видового разнообразия Шеннона, индекс сапробности и др.), численность рыб, размерновозрастные и морфометрические их характеристики;

параметры работы используемого оборудования.

Описание механических свойств и текстуры почвы, глубины водоемов, температуры, прозрачности воды может проводиться в полевых условиях. Более затратен и длителен лабораторный анализ образцов почв, включающий определение физических свойств почв (объемная плотность, порозность, влажность, водопроницаемость и др.) и химико-аналитические исследования (содержание загрязнений в почве и воде, питательных элементов, органического вещества, катионообменная емкость почвы, кислотность, окислительно-восстановительный потенциал, тесты на биодоступность загрязнений).

Зоны с различной степенью загрязнения характеризуются разными окисли- тельно-восстановительными условиями, поэтому для выбора метода биоремедиации, контроля и прогнозирования очистки, принятия оперативных решений важное значение имеют данные об окислительно-восстановительных условиях в зоне загрязнения, которые могут определяться прямым электрохимическим измерением окислительно-восстановительного потенциала (показание Eh). Разнообразие редокс-зон обусловлено химическими и микробиологическими процессами в загрязненной среде, геохимическими условиями в почвенных горизонтах и грунтовых водах, временными и пространственными различиями условий. Наиболее восстановленная среда обычно находится вблизи источника загрязнения, а наиболее окислительная наблюдается на фронте движения загрязнения и на границе контаминированной зоны. Для измерений Eh рекомендуется использовать проточную ячейку для снижения ошибок, обусловленных диффузионными ограничениями. При содержании в образцах большого количества ионов железа (в среде доминирует окислительно-восстановительная пара Fe2+/Fe3+) результаты определения редокс-потенциала методом прямого электрохимического измерения сильно искажаются. Дополнительные сведения об окислительно-восстановительных условиях могут быть получены из анализа состава ионов, наличия жирных кислот в грунтовых водах, содержания летучих соединений (CH4, H2, H2S) в почвенных газах, состава осадков в водоносных горизонтах, содержания в них соединений железа, марганца и серы. Наиболее характерные стационарные концентрации водорода меняются от 0,01 мМ при протекании процесса денитрификации до 100 мМ в условиях метанообразования (рис. 4.40). На основании анализа осадков можно получить представления о ранее происходивших процессах и оценить возможность использования определенных методов ремедиации.

Наличие больших контаминированных зон с восстановительными условиями в аэробных обводненных пластах характерно для застарелых загрязнений. Наименьший Eh (сильно восстановительные условия) свидетельствует о возможном протекании процесса метанообразования, о наличии условий для восстановительного дегалогенирования, что важно при удалении таких загрязнений, как высокохлорированные углеводороды. Менее восстановительные условия (небольшое отрицательное значение Eh или низкое положительное), присутствие сероводорода, значительных количеств аммонийных ионов, ионов Fe2+, Mn2+ и отсутствие нитратов

инитритов свидетельствуют о протекании в загрязненной зоне сульфатредукции

иденитрификации. Признаки окислительных условий в среде – высокое положительное значение Eh. Присутствие нитритов и нитратов, оксигидроксидов Fe(III), растворенного кислорода говорит о возможном развитии оксигенных и аэробных процессов деструкции и трансформации загрязнений.

Рис. 4.40. Значение стационарных концентраций водорода в контаминированных зонах с доминированием различных окислительно-восстановительных процессов (по J. T. Meer et al., 2000)

Изменения окислительно-восстановительных условий с глубиной вследствие локальной гетерогенности анализируемого материала, смешения образцов могут быть очень велики, что искажает оценку и картирование редокс-зон.

Для того чтобы определить пригодность для ремедиации таких методов, как экстракция почвенных паров, биовентилирование, почвенный газ анализируется на содержание O2 и CO2 и выполняется тест на проницаемость системы почва—газ. Для этого воздух инжектируют в почву в определенной точке, извлекают на некотором расстоянии от точки инжекции и измеряют изменения в подпочвенном давлении.

Для оценки пригодности аэробных методов очистки проводится измерение дыхательной активности. В этом тесте измеряется скорость дыхания в образцах загрязненной почвы в сравнении со скоростью дыхания в аналогичных, но не загрязненных контрольных почвах. На основании определения скорости потребления кислорода оценивается скорость деградации загрязнения. Полученные оценки используются для выбора метода биоремедиации и определения ориентировочных сроков очистки.

Такие параметры, как температура, влажность и влагоудерживающая способность почвы, содержание растворенного кислорода, pH, Eh, уровень воды, давление в скважинах, содержание O2, CO2, электрическая проводимость почвенных растворов, суммарное содержание летучих органических соединений, могут контролироваться автоматически ежечасно или ежесуточно, а компонентное содержание загрязнений в почве, воде, воздухе – 1 раз в 1–3 месяца. Для повышения эффективности мониторинга и снижения затрат целесообразно использовать существующие топографические карты, карты почв, гидрогеологические данные о движении поверхностных и грунтовых вод, а также математические методы, разработанные для планирования эксперимента, мониторинговых исследований и обработки результатов. По ходу проведения биоремедиации и на основании полученных результатов план мониторинга корректируют.

Для выполнения химических и микробиологических анализов могут использоваться существующие аккредитованные химические и агрономические лаборатории, лаборатории экологического анализа и контроля, подвижные средства диагностики и анализа, а также специализированные лаборатории, с которыми согласовываются план мониторинга, методы отбора, хранения и транспортировки образцов.

4.7.3. Затраты на ремедиационные мероприятия

В бывшем СССР рекультивация 1 га почвы путем снятия 20 см плодородного слоя (масса 1 га почвы толщиной 20 см около 3 тыс. т), его хранения и возвращения оценивалась в доперестроечных ценах в 2–2,5 тыс. руб./га, а по другим данным – 7–30 тыс. руб./га. Ремедиационные мероприятия в 2–3 и более раз повышают стоимость обработки и рассматриваются как высокозатратные.

Кчислу наиболее затратных способов ремедиации относятся извлечение

изахоронение почвы, обработка ее ex situ (экстракция растворителями и др.), промывка почвы без использования дополнительных мер для интенсификации удаления загрязнений из почвенной среды.

Сравнительные затраты на обезвреживание различными методами почв с наиболее характерными загрязнениями в среднем составляют, %:

экстракция растворителями ex situ – 35–100; замена почвы – 10–60;

промывка почвы in situ – 10–35; экстракция почвенных газов – 10–25; химическое окисление in situ – 5–20; термическая десорбция – 5–20; биоремедиация – 3–15; самоочищение – 2–10.

Эти оценки значительно варьируют в зависимости от свойств поллютанта и характера загрязнения, страны, в которой проводятся ремедиационные работы. В зависимости от вида загрязнения затраты на его удаление методом промывки оцениваются от 10 долл. до 150000 долл. за 1 кг удаленного загрязнения.

Так, при in situ очистке территории, загрязненной креозотом и пентахлорфенолом (средства пропитки древесины), оценочные затраты на удаление их обычной промывкой и обработкой промывных вод составляли около 2000 долл./кг загрязнения, при использовании экстракции с паром – около 10 долл./кг. Затраты на удаление толуола, трихлорэтилена и ксилола методом выемки грунта оценивались в ~170 долл./м3 изъятой почвы; экстракцией паром с дополнительной промывкой участка химическими окислителями (диоксидом хлора или реактивом Фентона) – в 10 долл./м3 загрязненной почвы. При удалении трихлорэтилена методом шестифазного нагрева (до 100 °С) подповерхностного горизонта под действием электрического тока и сбором загрязнения в центрально расположенном экстракционном колодце затраты составляли от 20 долл. до 50 долл./м3 почвы. При этом затраты на электроэнергию составляли 10–15% от совокупных затрат. При проведении очистки почвы, загрязненной фунгицидом хлороталонилом, путем добавления навоза в количестве 400 т на гектар, в 10 раз превышающем количество навоза, обычно вносимого в почву, и регулярной вспашки почвы совокупные затраты составили около 3300 долл. на 1 га, что соответствует примерно 1 долл. на 1 т обработанной почвы.

Очистка методами in situ обычно обходится дешевле, чем ex situ. При очистке почвы путем ее выемки стоимость последующей обработки методами ex situ может составить бо‚льшую часть от суммарных затрат. По сравнению с методом складирования ex situ обработка повышает стоимость очистки в 2–10 раз.

Однако возможна и обратная картина. Так, при использовании метода георемедиации затраты на ex situ обработку поверхностного слоя почвы, загрязненного ПАУ, были оценены в 38–40 долл./т, а на in situ обработку глубинных слоев почвы того же участка – в 65–90 долл./т.

Стоимость обезвреживания 1 т нефтесодержащих отходов или почвы с концентрацией загрязнений 1% в Западной Европе составляла (в долл.):

выемка и хранение почвы по традиционной методике – 100–200;

сжигание – 110–190;

захоронение – 70–160;

биоокисление – 60–100;

биовентилирование – 45–140;

биоремедиация в буртах и грядах – 25–80;

фитоэкстракция – 20–33.

При глубине загрязненного слоя 0,2 м очистка контаминированной территории одним из этих методов составит от 60 тыс. до 600 тыс. долл. на 1 га. Суммарные затраты на создание предприятия по ежегодной переработке (или обезвреживанию) 3–5 тыс. т нефтепродуктов оценивается в 7 млн долл.

Биологическая обработка относится к наиболее дешевым методам обезвреживания. По сравнению с такими методами, как промывка или сжигание затраты на обезвреживание биологическим методом ниже в 3–10 раз.

618 Глава 4

При определении целесообразности того или иного метода очистки во внимание принимаются все стадии ремедиационных мероприятий. В одних случаях целесообразнее использовать более затратные и оперативные методы, в других – более дешевые, но долговременные.

При ремедиации почвы основные составляющие затрат включают следующие элементы:

характеристика загрязненного участка (исследование, гидрогеологическая разведка, описание участка);

тестовые исследования в лаборатории и полевых условиях;

разработка технологии ремедиации и проектирование;

приобретение и монтаж сооружений и вспомогательного оборудования;

проведение ремедиационных работ, обработка участка и эксплуатация оборудования, мониторинг;

депонирование осадков, вторичных отходов, платежи за сброс в окружающую среду водных потоков и выброс воздуха с остаточным содержанием загрязнений.

Совокупные затраты зависят от уровня требований заказчика, нормативов на загрязнения в данном регионе, контролирующих и регулирующих административных органов, общественности, от характера договорных отношений между заказчиком и организациями, выполняющими изыскательские, проектные и технологические работы.

Затраты на характеристику участка зависят от природных условий, объема работ по описанию участка (характер и уровень загрязнения, характеристика почв и почвенно-климатических условий и др.), характера и объема работ, проведенных ранее (в ходе топографической съемки и картирования, гидрогеологических исследований, при построении почвенных карт, при выполнении ремедиационных работ в случае использования биоремедиации на заключительных стадиях очистки), планируемых конструктивных решений

итехнологического оформления, объема требуемой документации. В зависимости от особенностей загрязненного участка могут потребоваться дополнительные данные для более детальной характеристики почвенных условий: построения карты загрязнений, определения глубин и скоростей течения грунтовых вод, потребления воды из водоносных горизонтов, угрозы редким биологическим видам, последствий возможного заболачивания или, наоборот, осушения территории, изменения условий обитания для животного

ирастительного мира и т. п.

Предварительные лабораторные исследования и маломасштабная апробация предложенных решений на загрязненном участке дают возможность уточнить объем планируемых работ, избежать многих ошибок и существенно сэкономить средства. Оборудование и сооружения, использованные для проведения работ в полевых условиях, в дальнейшем могут быть интегрированы в полномасштабную систему ремедиационной технологии. Для снижения затрат могут использоваться и математические методы моделирования (например, для описания движения грунтовых вод при использовании реакционных барьеров).

Этапы типичного полномасштабного проектирования включают:

подготовку проектного обоснования (15% затрат на проектирование), в котором оцениваются состав и объемы работ и сметы затрат, приводятся чертежи предлагаемой планировки участка, компоновки оборудования, пояснительные записки, подписываются соответствующие соглашения между заказчиком, исполнителями и административнорегулирующими органами;

разработку рабочего проекта (от 15 до 60% затрат на проектирование), в ходе которой готовят рабочую документацию, чертежи, схемы, технологические карты, спецификации, строительные планы и т. п.;

подготовку конструкторской документации (25–70% затрат на проектирование), которая будет использоваться в договорных документах и контрактах.

При полномасштабном проектировании учитывают характер загрязнения, объем требуемых данных о влиянии загрязнений на биоту, почвенную и гидрогеологическую обстановку, размер обрабатываемого участка, тип растительности, трудовые затраты, затраты на подготовку участка, выбор мелиорантов, структураторов и других материалов, вносимых в почву, выбор биопрепаратов, системы орошения и дренирования, планирование системы мониторинга.

Затраты на основные сооружения и монтаж вспомогательного оборудования определяют единовременные прямые и непрямые капитальные затраты. В случае биоремедиации прямые капитальные затраты включают следующие элементы:

подготовка участка (демонтаж строительных конструкций, удаление мусора, выкорчевывание и удаление нежелательных растений, обваловка, вспашка участка, мелиоративные работы, внесение удобрений, очистка берега водоемов, установка боновых ограждений и т. д.);

стоимость систем аэрации, барботирования, орошения и дренирования, плавсредств, трубопроводов, фильтров, клапанов, датчиков мониторингового оборудования и т. п.;

стоимость систем очистки отработанного воздуха и промывных вод. Непрямые капитальные затраты определяются в процентах от совокупных

прямых капитальных затрат и включают затраты на установку механического и электрического оборудования, разработку мероприятий по технике безопасности, обучение и аттестацию обслуживающего персонала, сервисное обслуживание в процессе монтажа оборудования, согласование документации, подготовку руководств по эксплуатации оборудования, пуско-наладочные работы, демонтаж и утилизацию оборудования, реабилитацию обработанного участка, непредвиденные затраты.

Единовременные затраты при in situ ремедиации обычно ниже таковых при методах ex situ, поскольку установка систем для извлечения или нагнетания воздуха или воды требует меньше затрат, чем систем извлечения и обработки почвы.

Затраты на обработку участка, эксплуатацию оборудования и мониторинг относят к эксплуатационным (операционным) затратам. Они включают:

заработную плату обслуживающего персонала; поддержание оборудования в рабочем состоянии, замену вышедшего из строя;

использование материалов и химикатов (мелиорантов, структураторов, удобрений, хелатирующих агентов, ПАВ, сорбентов, экстрагентов, фильтров и т. п.), воды, тепла и энергии; обезвреживание дренажных вод, отдуваемых почвенных газов, выгрузку

осадков, вывоз, обработку, утилизацию вторичных отходов; обваловку участков, чистку траншей для сбора дренажных вод; мониторинговые работы; амортизационные отчисления.

Рис. 4.41. Зависимость операционных затрат от количества очищаемой почвы, загрязненной нефтью (по A. Otten et al., 1997)

Операционные затраты при биоремедиации in situ довольно высоки, поскольку на очистку может потребоваться несколько лет, что приводит к высоким затратам на энергию, содержание системы, мониторинг. С увеличением объема обрабатываемой почвы удельные операционные затраты уменьшаются (рис. 4.41). При объемах обрабатываемой почвы, превышающих 2000–3000 м3, метод in situ менее затратен, чем ex situ.

Совокупные затраты растут с увеличением исходной концентрации, глубины загрязнения, глубины залегания грунтовых вод и зависят от требуемого качества и сроков очистки.

Расширение сведений о процессах деградации и трансформации загрязнений, их биодоступности, оптимальных условиях и скоростях биодеградации, образующихся промежуточных продуктах, разработка надежных методов, позволяющих с достаточной степенью информативности характеризовать картину загрязнений, отслеживать их локализацию и распространение, обеспечивающие высокие скорости массопереноса в почвенных условиях, создание единой системы, связывающей методы контроля, мониторинга, моделирования, выбора и использования различных технологий ремедиации являются основой для повышения эффективности ремедиации и снижения затрат на очистку.