Биоремедиация загрязненных почв и грунтов

Лекция № 5 (2ч)

План лекции:

1. Ремедиация загрязненных почв in situ.

2. Обработка удаленных почв и грунтов

 

Интенсивный рост промышленности и городов в последние 50—100 лет привели к необратимому загрязнению почв и грун­тов на значительных территориях. Загрязненные места должны быть рано или поздно подвергнуты очистке — ремедиации (ле­чению). Это крайне сложная задача, так как почвы и грунты ге-терогенны и геологическая структура загрязненных территорий разнообразна. Растворимые или частично растворимые продукты могут транспортироваться на значительные расстояния в гори­зонтальном направлении; некоторые легкие малорастворимые соединения, попав в грунтовые воды, могут плавать на поверх­ности и выноситься в верхние горизонты; тяжелые компоненты, такие, как смолистые фракции нефти, могут оседать на дно и транспортироваться очень медленно. Таким образом, загрязне­ния могут накапливаться в разных участках, что требует специ­фических подходов к разработке методов ремедиации загрязнен­ных территорий. В настоящее время существует два основных подхода к очистке загрязненных почв и грунтов — (1) обработка на месте (in situ) или (2) экскавация, т.е. вывоз и обработка на специальных предприятиях (ex situ).

Почвы являются основным ядром геохимического ландшафта. Именно в них протекают важ­нейшие геохимические процессы, определяющие условия миграции, рассеива­ния и концентрации атомов [Перельман, 1975; Глазовская, 1988, и др.]. Поэто­му при геохимическом изучении ландшафтов наибольшее внимание уделяется почвам. Геохимическое картирование осуществлялось на ключевых участках по профилям, а на остальной территории - как маршрутные исследования. Изучалось содержание тяжелых металлов в различных горизонтах почв и бо­лее детально в верхнем слое.

Чаще всего в почвах отме­чаются повышенные концентрации свинца, цинка, ванадия, стронция, меди и молибдена, реже - кобальта, никеля, бария и иттрия. Максимальные значения большинства химических элементов в почвах наблюдаются на территориях городов Саранск и Рузаевка. Содержание свинца и цинка на отдельных участ­ках превышает фоновые значения более чем в 10 раз. Изменение кислотности почв в результате выпадения кислотных дождей приводит к увеличению под­вижных форм тяжелых металлов, что способствует их поступлению в подзем­ные и поверхностные воды.

На большей части Мордовии содержание химических элементов в почвах определяется естественными условиями их формирования. Техногенное за­грязнение почвенного покрова отмечается около промышленных предприятий и вдоль отдельных участков автодорог.

Химические вещества, поступающие с выбросами промышленных предприятий и транспортных средств в окружающую среду, частично накапливаются в почвах и растениях, а частично с миграционными потоками поступают в по­верхностные и подземные воды. В зависимости от формы, в которой находятся химические элементы, они могут растворяться или оставаться в твердой фор­ме. В результате геохимического стока атомы мигрируют в пониженные уча­стки местности и частично аккумулируются в донных отложениях, концентрация химических элементов в которых зависит от загрязненности водного объ­екта.

Наибольшее содержание химических веществ отмечается в донных от-тожениях Сурской ландшафтно-геохимической макроарены, в которой они имеют преимущественно глинистый и суглинистый характер.

Наибольшей контрастностью отличаются донные отложения рек Инсар, Нуя, Пьяна и Рудня. В районе г. Рузаевка донные отложения реки Инсар со­держат аномальные концентрации цинка, свинца, галлия, кобальта, ванадия, эария, циркония, бериллия и скандия. Ниже Саранска помимо вышеперечисленных элементов отмечены повышенные концентрации олова и никеля.

В реке Пьяна и ее притоках (Пьянка и Саля) донные грунты накапливают цинк, свинец, кобальт, хром, стронций, барий, ванадий, галлий и цирконий.

Широкое распространение в Мокшинской ландшафтно-геохимической мезоарене песчаных отложений не способствует накоплению тяжелых металлов в донных отложениях. Только в реке Иссе наблюдаются аномальные концентрации свинца, цинка, галлия и бериллия, а местами - ванадия, циркония, бария и скандия.

Высокое содержание тяжелых металлов в донных отложениях рек Инсар, Нуя и Исса свидетельствует о значительной их загрязненности. Слабая защищенность грунтовых вод в ландшафтах водно-ледниковых равнин может привести к их техногенному загрязнению.

Важное значение при региональном мониторинге приобретает гидрогеохимическое обследование окружающей среды с учетом выявленных закономерностей. В качестве интегрального индикатора техногенной нагрузки на водосборы могут служить донные отложения.

1. Ремедиация загрязненных почв in situ.

В настоящее время большинство загрязненных территорий об­рабатывается на месте с помощью описанных ниже методов и их комбинаций.

Вымывание загрязняющих веществприменяется в случае за­грязнения почвы растворимыми веществами. Почву промывают поливом сверху и с помощью различных ирригационных приемов, часто с использованием циркуляции воды. Промывные воды со­бирают, обрабатывают ex situ биологическими и физико-хими­ческими методами. При такой обработке малорастворимые соеди­нения остаются в почве.

Внесение химических веществ, стимулирующих развитие дегра­дирующих загрязнения микроорганизмов,применяется наиболее ча­сто. На загрязнение почвы различными органическими вещества­ми природа, как правило, отвечает развитием микроорганизмов, способных использовать эти вещества. Именно из загрязненных мест были выделены многие бактерии, разлагающие различные ксено­биотики, нефтепродукты и т.д. Для активации автохтонной мик­робной популяции в почву вносят окислители (О₂, NOJ), косубстраты (мелассу, этанол и даже навозные стоки), источники азота и фосфора, эмульгаторы для ускорения транспорта и разрушения структуры липофильных загрязнений. Для внесения растворимых компонентов используют ирригационные методы. Промывные воды очищают методами анаэробной и аэробной очистки. Для улучше­ния аэрации производится вспашка почвы, в более глубокие слои кислород или воздух подаются под давлением через систему пер­форированных труб. Этот метод обработки относительно недорог и дает хорошие результаты, но для достижения положительного эф­фекта иногда требуются годы. Он широко используется для очист­ки мест, загрязненных нефтепродуктами. Воздух, насыщенный при вентиляции почвы летучими веществами, такими, как бензол, то­луол, ксилол и др., откачивают и подвергают очистке, прогоняя через воду для удаления растворимых веществ и через увлажнен­ный микробный биофильтр. Для извлечения растворимых нефте­продуктов из почвы ее промывают водой с необходимыми добав­ками. Снабжение кислородом и вытеснение промывной воды мо-*ет осуществляться одновременно в циркуляционном процессе. Промывные воды очищают ex situ.

При загрязнении высокоокисленными соединениями, такими, как пентахлорфенол (пропитка деревянных конструкций), нитроароматические соединения (взрывчатые вещества), хлорирован­ные алкены и алканы (растворители), для интенсификации деградации необходимо снабжение популяции микроорганизмов до­ярами электронов. Для этого используют недорогие субстраты — метанол, этанол, мелассу, которые добавляют в циркулируемую воду. В анаэробных условиях эти субстраты используются с образо­ванием водорода, способствующего восстановительной дегалогенизации и разрыву ароматических колец. Характер загрязнений, химический состав и структура почв и грунтов определяют выбор добавок и методов обработки.

Внесение в загрязненные почвы микроорганизмов,способных разлагать соответствующие специфические вещества, применяет­ся не часто и не всегда дает существенный эффект. Как правило, одновременно необходимо применение мер, описанных в преды­дущем разделе. Тем не менее, к настоящему времени выделено и описано большое количество бактерий, способных использовать нефтяные загрязнения, ксенобиотики, токсические соединения (см. подразд. 4.1). Применение таких культур в качестве посевного материала может быть полезно в свежих загрязнениях, когда ав­тохтонная микробная популяция еще не успела развиться или плотность ее очень низка. В любом случае необходимо обеспечить доступность загрязняющих веществ для использования их микро­организмами. Здесь важную роль играют дисперсия и растворение загрязнителей, а также снабжение микроорганизмов источника­ми азота и фосфора. Их недостаток лимитирует микробный мета­болизм и рост, а это, в свою очередь, ограничивает процесс био­деградации.