Исследование почвы в районе Крылатское и ликвидации последствий в результате загрязнения почвенного покрова

Процесс промывания почвы, как правило, является коротким или средним по продолжительности.

Применимость. Целевая группа загрязнений для  технологии промывания почвы — это  неорганические загрязнения, включая  радиоактивные. Эта технология может  быть применена также для удаления из почвы ЛОС, ПЛОС (летучих и полулетучих органических соединений), различных видов топлива и пестицидов, но для этой группы загрязнений она может оказаться более дорогой, чем альтернативные технологии. В целях увеличения эффективности растворения некоторых органических соединений можно дополнительно ввести безопасные для окружающей среды поверхностно-активные вещества, однако при этом промывающий раствор может изменить физико-химические свойства почвенной системы. Технология обладает потенциалом для извлечения металлов и может извлечь из грубо-зернистых почв широкий спектр органических и неорганических загрязнителей.

Ограничения. Факторы, которые могут ограничить применимость и снизить эффективность процесса:

1)низкая проницаемость или гетерогенность почв создают затруднения для

обработки;

2) поверхностно-активные вещества  могут прилипнуть к почве и  уменьшить

ее  эффективную пористость;

3) реакции промывной жидкости с  почвой могут уменьшить подвижность  загрязнителя;

4) возможность реакции с почвой  за пределами зоны загрязнения  и введение поверхностно-активных  реагентов в под почву может вызвать озабоченность у законодательных органов; технологию следует использовать только там, где отмытые загрязнители  и промывающая жидкость для почвы могут храниться в специальных помещениях;

5) расходы на надземное разделение  и обработку извлекаемой загрязненной  воды могут снизить экономичность  процесса.

Необходимые данные для применения технологии.

  Обязательные для применения  технологии физические и химические  характеристики почвы включают: проницаемость, структуру, текстуру, пористость, влажность, содержание  общего органического углерода, катионообменную емкость, pH и буферную емкость.

Для загрязнителя должны быть определены: концентрация, растворимость, коэффициент  распределения, произведения растворимости  образуемых соединений с вводимыми  реагентами, потенциал восстановления и константы устойчивости комплексов. Характеристики почвы и загрязнителей  будут определять необходимые промывные  жидкости, совместимость промывных  жидкостей и необходимые изменения  промывной жидкости по мере изменения  самого загрязнения.

Как уже говорилось, основное применение технология отмывания почвы находит  в удалении тяжелых металлов. Рассмотрим факторы, влияющие на процесс in situ отмывания почвы, загрязненной свинцом. Такое загрязнение может существовать в различных формах: 1) в виде ионов Pb²⁺, адсорбированных на ионообменных центрах почвенных фракций; 2) в виде твердых фаз PbSO4(тв), или PbCO3(тв), или Pb(OH)2(тв), если в почве достигнуты соответствующие произведения  растворимости. В процесс удерживания тяжелого металла почвой, кроме того, вмешивается присутствие органических загрязнений, которые могут образовать комплексы с ионами металла или сами занимать активные центры на поверхности почвенных частиц. Именно такие формы загрязнения территорий (одновременно тяжелыми металлами и полиароматическими углеводородами или другими органическими загрязнителями) часто встречаются на практике. Выше был приведен пример  ex situ очистки почвы от тяжелых металлов Pb и Ni и полиароматических углеводородов фирмой  Tallon (Канада).

Англезит PbSO_4(тв) является распространенной формой загрязнения почв свинцом на земельных участках, содержащих опасные отходы (лэндфиллы), особенно в местах переработки и регенерации свинцовых аккумуляторов. PbCO_3(тв) по предположению образуется в почвах с высоким содержанием карбонатов.

4.2 биологические методы  очистки

Эти методы являются самыми распространенными в силу относительно малых затрат при их осуществлении. Технологии можно разделить на осуществляемые прямо на месте загрязнения (in situ) и технологии, обрабатывающие извлеченный экскаватором грунт.

Биологическая очистка in situ

Главным преимуществом обработки in situ является то, что она позволяет обрабатывать почву без ее извлечения и транспортировки, что потенциально приводит к значительному снижению расходов. Однако обработка in situ, как правило, требует большего времени и имеется меньше уверенности в единообразии обработки из-за изменчивости свойств почвы и водоносного горизонта, а также потому, что эффективность процесса более трудно проверить.

Технологии  биовосстановления являются технологиями разрушения, целью которых является стимулирование роста микроорганизмов и использование загрязнителей в качестве источника пищи и энергии при создании благоприятной среды для микроорганизмов. В общем, это означает  создание (подачу) некоторой комбинации кислорода, питательных веществ и воды, а также контроль температуры и pH. Иногда для ускорения процесса используются заранее выращенные микроорганизмы, приспособленные для разложения специфических загрязнений.

Биологические процессы обычно осуществляют с малыми финансовыми затратами. Загрязнители разрушаются, и после этого иногда производят очень малую остаточную обработку или она вообще не нужна. Однако биологический процесс требует длительного времени, и при этом трудно определить, оказались ли загрязнители разрушены. Биологическая обработка хлорированных полиароматических углеводородов cPAHs оставляет после себя плохо разлагаемые PAHs. Эти cPAHs с большими молекулярными массами считаются канцерогенами. При этом увеличение концентрации  хлора приводит к снижению биоразложения. Кроме того, в процессе биоразложения некоторые соединения могут оказаться превращенными в более токсичные продукты (например, ТСЕ превращается в винилхлорид). При использовании биотехнологии in situ, если не осуществляется постоянный контроль за процессом биоразложения, эти токсичные соединения могут перейти в грунтовую воду. Вариант обработки загрязненной территории  in situ требует описания почвы, водоносного горизонта и загрязнителей. Иногда извлекаемая грунтовая вода может нуждаться в дополнительной обработке. Если грунтовая вода имеет низкий уровень загрязнения, ее можно пропускать циклически через обрабатываемую зону, т. Е. именно она оказывается водой, необходимой для биологической очистки обрабатываемого участка.

Хотя  не все органические соединения поддаются  биоразложению, технологии биовосстановления были с успехом применены для очистки почв, илов и грунтовой воды, загрязненных углеводородами нефти, растворителями, пестицидами, консервантами древесины и другими органическими веществами. Биовосстановление неприменимо для обработки неорганических загрязнений.

На  скорость, с которой микробы разлагают  загрязнения, влияют: природа этих загрязнений  и их концентрации, снабжение почвы  кислородом и водой, температура  почвы, pH, снабжение микроорганизмов элементами питания. Кроме того, для ускорения очистки применяют биологическое усиление и кометаболизм.

Технологии  биологической обработки in situ весьма чувствительны к некоторым почвенным параметрам. Например, присутствие глины или гуминовых веществ в почве вызывает вариации в скорости процесса биологической обработки. Обычно заранее проводят изучение обрабатываемости почвы, чтобы определить эффективность биовосстановления в данных условиях. Рассмотрим воздействие этих факторов.

Поступление кислорода в почву увеличивается, если не происходит насыщения почвы  водой, если восстановлению подвергаются песчаные и суглинистые почвы  в противоположность глинистым почвам, если удается избежать сжатия почвы и если низки концентрации разлагающегося материала. Чтобы обеспечить поступление кислорода в количестве, достаточном для поддержания аэробных условий, можно применять ввод сжатого воздуха или пероксида водорода (H2O2). Использование пероксида водорода ограничено, поскольку при высоких концентрациях (выше 100 ppm или 1000 ppm при соответствующей акклиматизации) он токсичен для микроорганизмов. Кроме того, пероксид водорода склонен к быстрому разложению на воду и кислород в присутствии некоторых почвенных компонентов.

Анаэробные  условия можно использовать для  разложения сильно хлорированных загрязнителей, хотя и с очень небольшой скоростью. Вслед за этой обработкой можно применить  аэробную обработку, чтобы завершить  биоразложение уже частично дехлорированных соединений, а заодно и других загрязнителей.

Вода  служит средой, через которую элементы питания и органические компоненты попадают в клетки микроорганизмов, и в воду же выходят из клетки продукты клеточного метаболизма. Избыточные количества воды, однако, могут ухудшать условия восстановления, поскольку  она может препятствовать поступлению  кислорода в почву (если, конечно, не нужны именно анаэробные условия).

Элементами  питания, необходимыми для роста  клеток, являются: азот, фосфор, калий, сера, магний, кальций, марганец, железо, цинк, медь и следовые элементы. Если элементы питания в достаточном количестве не доступны, микробиологическая активность снижается. Самыми дефицитными элементами питания в загрязненной среде обитания являются азот и фосфор. Их обычно вводят в систему, подвергаемую биовосстановлению, в приемлемой для микроорганизмов форме (азот в аммонийной форме и фосфор в виде фосфатиона). Фосфатионы могут вызвать уплотнение почвы вследствие их реакции с минеральной частью почвы, например с ионами железа и кальция, и образования нерастворимых осадков, забивающих поры в почве и водоносном горизонте.

pH воздействует на устойчивость, а следовательно, на доступность многих почвенных компонентов, которые могут влиять на биологическую активность. Многие металлы, потенциально токсичные для микроорганизмов, находятся в нерастворимой форме при повышенных pH; следовательно, увеличение pH в обрабатываемой системе может снизить риск отравления микроорганизмов.

Температура воздействует на микробиологическую активность в окружающей среде. Биоразложение будет замедляться с понижением температуры; поэтому в северных климатических условиях биовосстановление может оказаться неэффективным в течение части года, если только не применяются средства, контролирующие климат. Микроорганизмы остаются жизнеспособными при температурах ниже точки замерзания воды и будут проявлять активность при повышении температуры.

Нагревание  участка, подвергаемого биовосстановлению, например вводом теплого воздуха, может ускорить процесс восстановления. Так, на станции Eielson AFB на Аляске исследуются пассивный нагрев инкубационных тэнков солнечным излучением (ex situ) или применение нагретой воды под поверхностью земли в загрязненной вадозной зоне. Слишком высокие температуры могут ухудшить условия существования для некоторых микроорганизмов, что приведет к существенной стерилизации почвы.

Температура воздействует также на небиологические  потери загрязнителей, в основном изза увеличения испарения загрязнителей  при высоких температурах. Растворимость загрязнителей обычно увеличивается с повышением температуры; однако некоторые углеводороды более растворимы при низких температурах, чем при повышенных. Кроме того, с увеличением температуры уменьшается растворимость кислорода.

Разновидностью  технологии биологической очистки  является биоусиление (bioaugmentation), которое подразумевает просто введение в почву группы природных штаммов бактерий или генетически сконструированных (измененных) бактерий для разложения специфических загрязнителей или групп загрязнителей, а иногда приспособленных к выживанию в особо суровых условиях окружающей среды. В этих целях микроорганизмы с восстанавливаемого участка выделяют из почвы, отдельно выращивают соответствующую бактериальную культуру и возвращают на место, при этом достигают быстрого увеличения заселенности участка микроорганизмами. Обычно пытаются изолировать и ускорить рост популяции природных микроорганизмов, которые предпочитают питаться загрязнителями. В некоторых ситуациях на отдельных стадиях процесса восстановления почвы вводят различные микроорганизмы, поскольку загрязнители, присутствующие в изобилии, изменяются в процессе разложения. Если естественные разновидности бактерий не обладают метаболической способностью осуществить процесс восстановления, вводят экзогенные разновидности, полученные генетическим модифицированием. Однако исследователи установили: нет доказательств того, что в проведенных испытаниях неприродные микроорганизмы оказываются более полезны.

Имеются технологии, использующие кометаболизм (cometabolism). В этих случаях используют микроорганизмы, размножающиеся на некотором соединении, и производящие при этом энзим, который химически трансформирует другое соединение, на котором они не могут размножаться. Кометаболизм, следовательно, — это одновременный метаболизм («переваривание») двух соединений, когда деградация второго соединения (вторичного субстрата) зависит от присутствия первого соединения (первичного субстрата). Например, в процессе деградации метана некоторые бактерии могут разлагать опасные хлорированные растворители, которые в других условиях они не способны атаковать.

Вначале  производят  исследование применимости предполагаемой обработки, чтобы определить,  будет ли биовосстановление эффективным в данных условиях. Размах исследований может зависеть  от  природы загрязнителей и характеристик участка. Для участков, загрязненных обычными углеводородами нефти (бензином или другими легко деградирующими соединениями), обычно достаточно исследовать репрезентативные образцы почвы на наличие и степень природной населенности микробами, определить в них концентрации элементов питания, присутствие микробных токсикантов и характеристики почвы: pH, пористость и влажность.

Для проверки эффективности биологической  обработки следует применять  статистическое описание ситуации «до» и «после» обработки. Доступными технологиями биологической обработки  in situ являются биовентилирование, усиленное биоразложение и фитовосстановление.

Биовентиляция

Это новая технология, которая стимулирует  естественное биологическое разложение  in situ любых аэробно разлагаемых соединений путем подачи кислорода, необходимого имеющимся в почве микроорганизмам (рис). В отличие от вакуумной экстракции почвы паром (физико-химическая технология), в биовентилировании используют малые скорости подачи воздуха, чтобы обеспечить лишь необходимое количество кислорода для поддержания микробной активности. Кислород подается прямым нагнетанием воздуха в загрязненную зону в почве. Кроме деградации  адсорбированных на почвенных частицах остатков топлива, разлагаются биологически также летучие соединения во время медленного передвижения их паров через биологически активную зону в почве.

Биовентилирование используют, например, для очистки почв, загрязненных различными продуктами нефтепереработки: топливом для реактивных двигателей, бензином, дизельным топливом и маслами для нагревательных приборов. In situ обработка углеводородных загрязнителей в почвах сильно снижает расходы по сравнению с традиционными методами выкапывания загрязненной почвы и ее последующей обработкой или захоронением. Кроме того, биовентилирование часто устраняет дорогую обработку отходящих газов, которая обязательна в случае применения систем вакуумной экстракции паром, при этом стоимость снижается на 50%. Обычно стоимость очистки технологией биовентилирования  находится в пределах от $15 до $75 на кубический метр почвы. Факторы, влияющие на цену, включают тип и концентрацию загрязнений, проницаемость почвы, глубину скважин и их число, расход подаваемого воздуха. Очистка от бензола, толуола, этилбензола и ксилолов  (BTEX)  занимает приблизительно 1–5 лет, и от 2 до 10 лет для углеводородов нефти в целом.