Как очистить почву от радиации? Методики очистки воды и почвы от загрязнений Очистка загрязнений почвенных вод

Методы очистки почвы иногда еще называют методами экологическая мелиорация педосферы (раздел геоэкологии) . Главные задачи экологической мелиорации педосферы заключаются в разработке способов очистки всевозможных почв от экологически вредных и токсичных химических, биохимических и радиоактивных (дезактивация почв) загрязнений с целью восстановления их плодородия и экологической пригодности для сельского хозяйства.

В современных условиях многие из этих задач решаются в рамках агрохимии почв, однако, предмет и задачи исследований агрохимии почв гораздо шире, чем экологической мелиорации педосферы, имеющей узкую направленность.

С другой стороны, экологическая мелиорация педосферы тесно примыкает к рекультивации земель и ландшафтов - техническому и биологическому восстановлению нарушенного почвенного покрова или ландшафта (например, при разработке карьеров и т.п.). Однако, рекультивация обычно предусматривает целый комплекс восстановительных мероприятий, включая планировку, снятие или завоз почв, озеленение, благоустройство ландшафта и т.п. без работ по очистке почв или ландшафта.

Для борьбы с загрязнениями в геологической среде могут применяться два принципиально различных подхода. Первый из них - собственно очистка, предусматривающая непосредственное удаление вредных компонентов из объекта очистки тем или иным способом. Второй подход основан не на удалении, а на подавлении активности вредного компонента (детоксикации), например, путем его нейтрализации, разложения (деструкции), связывания, локализации и т.п.

С другой стороны, методология разработки способов очистки геологической среды от загрязнений может основываться и на анализе механизмов природных способов самоочистки экосистем. В их основе лежат процессы абиотического или биотического превращения химических веществ:

· физические процессы массопереноса;

разбавление (перемешивание);

вынос загрязнителей за пределы экосистемы;

испарение;

сорбция;

бионакопление;

· микробиологическая трансформация;

· химическая трансформация:

гидролиз,

фотолиз,

окисление и др.

К абиотическим превращениям относятся окислительные и восстановительные процессы, гидролиз, фотохимические реакции, реакции между самими посторонними веществами и т.п.

К биотическим превращениям относятся ферментативная детоксикация (например, тяжелых металлов), ферментативное окисление, разложение, восстановление. Органические вещества окончательно выводятся из геологической среды лишь в результате их минерализации, т.е. разложения органических соединений до диоксида углерода, воды и других небольших неорганических молекул (например, СO, HCl, NH 3 и т.п.).

Физические методы очистки почв:

- Механические методы

- Гидродинамические методы

- Аэродинамические методы

- Термические методы

- Электрические методы

- Магнитные методы

- Электромагнитные методы

Механические методы

В настоящее время широко распространено простое механическое удаление с помощью различных технических средств загрязненного объема пород. Особенно часто этот метод используется при сильном поверхностном загрязнении, например радионуклидами или нефтью. Существенным недостатком метода является необходимость утилизации большого объема пород. Механическое перемешивание является важным этапом при использовании целого ряда химических, физико-химических и биологических методов. Вспашка является предварительным этапом перед промывкой солонцов с целью рассоления, механическое перемешивание используется и в процессе промывки. Для рассоления почв часто используется землевание , т.е нанесение слоя чистой почвы на поверхность загрязненного массива. Для землевания лучше всего подходят черноземные почвы, так как они содержат больше кальция и органического вещества. Во многих случаях может использоваться также землевание со вспашкой.

Гидродинамические методы

Гидродинамическое воздействие широко применяется при очистке массивов пород различного размера, оно является основным, на сегодняшний день, методом очистки подземным вод от различных загрязнителей. Гидродинамическое воздействие используется в виде дренажа, откачки, шунтирования, фильтрования и т.п., но в любом случае удаление загрязнителей происходит с фильтрующим потоком жидкости.

Методы растворения токсичных загрязнений основаны на способности некоторых экологически опасных соединений образовывать с водой идеальные или неидеальные растворы. В целях очистки промышленно загрязненных почв и грунтов от растворимых солей токсичных соединений используют поверхностное и подземное затопление водой и выщелачивающими растворами. С помощью растворения загрязнений водой удается очистить почвы от тяжелых металлов (хрома, кадмия, серебра, меди), радионуклидов (аммериция и плутония), летучих и растворимых углеводородов, галогенидов, пестицидов, гербицидов и цианогидрида ацетона.

Реагентное растворение (выщелачивание) используют в целях извлечения из загрязненных пород тяжелых металлов (свинца, олова, никеля, железа, хрома и кадмия), урана и соответствующих ему поливалентных металлов. В качестве реагентов используют аммиачную селитру, хлористый калий, орто- и пирофосфаты, органические и неорганические кислоты. В целях предотвращения осаждения и перехода загрязнений в структурную форму, не поддающуюся выщелачиванию используют комплексоны. Для устойчивости растворов, содержащих уран применяют дигалогенпроизводные фосфорсодержащие комплексоны, а для растворов содержащих тяжелые и благородные металлы в качестве комплексонов используют эталонамины, диамины, гуминовые и фульвокислоты.

Наиболее известным методом удаления загрязнения вместе с водой является откачка . Она может применяться самостоятельно и в сочетании с другими методами для всех типов загрязняющих веществ.

Аэродинамические методы

Близкими по механизму действия к гидродинамическим методам очистки являются аэродинамические методы. При использовании этих методов загрязнение удаляется вместе с циркулирующим в массиве воздухом или газами. К аэродинамическим методам очистки массивов относятся различного рода продувки, а также вакуумная и паровакуумная экстракция , Аэродинамические методы в основном используются для удаления из грунтов газообразных и жидких летучих экотоксикантов.

Самым простым из аэродинамических методов является продувка воздухом через скважины с выносом загрязнителей на поверхность.

Термические методы.

Термические методы уничтожения загрязнителей часто используются в грунтовых массивах. Очистка достигается в разных случаях как за счет нагревания, так и за счет охлаждения массивов. Нагревание используется во всех случаях, когда экотоксикант является термически нестойким соединением. Особую роль термические методы, включая сжигание и пиролиз, имеют при конечном уничтожении или разложении отходов-экотоксикантов.

Витрификация представляет собой процесс остеклования грунта при высокой температуре, при этом часть загрязнителей разлагается, а часть стабилизируется. Имеются примеры использования этого метода для пестицидов, ртути, диоксинов, хрома, радиоактивных веществ.

Электрические методы

Среди современных физических методов очистки геологической среды широкое распространение получили электрические способы воздействия. Их преимущество - в высокой эффективности, экологической безопасности и возможности воздействия на массив. Очистка подземных и поверхностных вод, почв, грунтов от экотоксикантов основывается на использовании электрохимических и электрокинетических процессов, происходящих в грунте под действием электрического тока. К электрохимическим процессам относятся электролиз (эффктивность 95-99 %), электрофлотация, электрокаогуляция, электродеструкция, электрохимическое окисление и выщелачивание, электродиализ, электрохимическое обеззараживание и электрохимический ионный обмен (EIX), а к электрокинетическим - электроосмос, электрофорез и электромиграция.

При электродиализе подземных и поверхностных вод, порового раствора почв и грунтов используют катионитовые и анионитовые мембраны позволяющие получить в средней части межэлектродного пространства обессоленный поровый раствор и разделить катионы и анионы при их удалении. В почвах и грунтах такими несовершенными мембранами служат глины. В определенных условиях метод позволяет удалять загрязнения в коллоидной форме.

Электрокинетические методы

В качестве примера можно рассмотреть такой метод как электромиграция. Электомиграциейназывают особый механизм перемещения разных заряженных ионов в растворе с различной скоростью. Причем более подвижные ионы концентрируются у электрода, соответствующего знаку их заряда. Для увеличения эффекта разделения создают постоянный противоток ионов противоположного знака. Скорость электромиграции ионов в поровом растворе почв и грунтов пропорциональна напряженности электрического тока и валентности ионов. Электромиграция не зависит от пористости пород и поэтому является одним из основных процессов массопереноса заряженных загрязнений под действием постоянного электрического тока в глинах и суглинках.

Магнитные методы

Использование магнитных полей в технологиях очистки почв, грунтов, поверхностных и подземных вод пока не значительно и требует дальнейшего изучения и развития. В настоящее время магнитное воздействие в основном используют для удаления из порового раствора грунтов и почв, поверхностных и подземных вод магнитных примесей и радионуклидов, а также для мобилизации загрязнений, находящихся в неподвижной или слабоподвижной форме.

Метод высокоградиентной магнитной сепарации основан на способности некоторых химических неорганических веществ приобретать различную остаточную намагниченность, что делает метод высокоселективным. Магнитный сепаратор помещают в вертикальных скважинах на глубине с максимальным загрязнением с учетом гидродинамических условий участка. Удаление и консервация загрязнений происходит в поверхностных условиях.

Электромагнитные методы

В современных технологиях очистки подземных и поверхностных вод, почв и грунтов широкое распространение получили электромагнитные (волновые) методы воздействия на загрязнения.

Ультразвуковая очистка эффективна для грубых и нефтяных загрязнений. При этом может происходить частичное разрушение грунта. Ультразвук очищает не только от отдельных частиц загрязнителя, но и от загрязнителей в пленках на поверхности частиц грунта.

Для очистки почв, грунтов и подземных вод от хлорированных энергозависимых и полуэнергозависимых органических загрязнений также используют электромагнитную энергию частот радиодиапазона(RF) и сверхвысоких частот (СВЧ). Метод основан на СВЧ-нагреве почв и грунтов на базе диэлектрического механизма в результате физического искажения молекулярной структуры материала под действием приложенного электромагнитного поля. Физические искажения переходят в механические, а затем в тепловую энергию.

К электромагнитным методам относят и очистку грунтов с помощьюлазеров . Процесс деструкции, окисления загрязнений и обеззараживания грунтов происходит за счет их нагревания. Метод применим при очистке любых пород, почв и грунтов. Как и во всех описанных выше методах, основанных на высокотемпературном нагреве загрязненных участков геологической среды, в процессе обработки наблюдается разрушение структуры, изменение свойств и биоты пород.

Физико-химические методы очистки:

Коагуляционные методы;

Ионообменные методы;

Сорбционные методы.

Физико-химические методы очистки геологической среды основаны на применении таких процессов и явлений, как коагуляция, ионный обмен, диффузия, осмос, сорбция-десорбция и т.п., позволяющих удалять или связывать в локальном месте массива загрязняющие вещества. Наиболее широко физико-химические методы разработаны для процессов водоочистки, в меньшей мере - для очистки почв и горных пород. Чаще всего применяют методы, использующие в качестве основного процесса коагуляцию, ионный обмен и сорбцию.

Коагуляционные методы.

Тяжелые металлы аккумулируются гумусовым веществом почв (в основном гуминовыми кислотами), вследствие чего происходит их детоксикация. По снижению интенсивности аккумуляции металлы располагаются в следующий ряд - Cu, Cd, Pb, Co, Ni, Zn, Mn. Установлено, что действие гуминовых веществ на Cu, Pb, Cr(III) приводит к образованию хелатных соединений и снижению токсичности этих тяжелых металлов, тогда как их действие на Cd разнонаправленно. Гуминовые кислоты не влияют на нафталин, но снижают токсичность полиароматических углеводородов (ПАУ) и полихлоридных бифенилов (ПХБ). С другой стороны их влияние на токсичные низкомолекулярные органические соединения (пестициды, ароматические амины, хлорфенолы и др.) также разно направленно. Наибольшим детоксицирующим действием обладают гуминовые кислоты обогащенные ароматическими молекулярными структурами.

Известным агротехническим приемом инактивации тяжелых металлов является цеолитизация , при этом значительно снижается содержание в почве кислоторастворимых форм Zn и Pb, однако при этом ухудшается азотное и фосфорно-калийное питание растений. Сорбция Мо из растворов подземных и поверхностных вод осуществляется синтезированными анионитами ФА-М и ФА-Т. Эти синтетические аниониты отличаются высокой термической, химической и радиационной устойчивостью при большой обменной емкости и сорбционной способности по отношению к ионам молибдена.

Химические методы очистки

Основным и наиболее распространенным методом очистки геологической среды от загрязнений остается реагентная обработка грунтов. В зависимости от типа химической реакции и взаимодействия реагента с экотоксикантом целесообразно разделить все виды химического воздействия на группы: осаждения, окисления-восстановления, замещения, комплексообразования и др.

Введение реакционноспособных газов в виде разбавленных воздушных смесей сероводорода или азота используют для обработки пород, загрязненных тяжелыми металлами (Cr, Pb, Hg, Cd) и радионуклидами (U). Однако, исследования проведенные на грунтах с реальным загрязнением показали, что после химической обработки в породах фиксировалось более 90% хрома и 50 % урана, в то время как нитраты полностью теряли свою реакционную способность.

Методы управленияокислительно-восстановительными условиями в специально созданных подземных барьерах используются для трансформации соединений тяжелых металлов (цинк, никель, свинец, соединения хрома, сурьмы, селена, кадмия, марганца) и радионуклидов (стронция, технеция и окисдов урана) в менее растворимые формы (гидроокислы), а также разрушения цианидов, растворенных форм нитратов, органических и хлорорганических соединений (тетрахлорид и другие хлорированные растворители). Созданные с помощью химических и биологических реагентов барьеры являются зоной с заданным окислительно-восстановительным потенциалом. В качестве реагентов для осаждения тяжелых металлов используют известь (поташ), сульфат натрия, оксиды и диоксиды железа, органический углерод и др.

Эффективность очистки зависит от реакционной способности реагента и экотоксиканта. Почвы обладают естественной способностью переводить часть тяжелых металлов в малоподвижное состояние в основном за счет содержания гумуса. В результате аккумуляции насыщенность гумусовых веществ цинком, медью, свинцом и кадмием в загрязненной почве часто превышает их фоновое содержание. По интенсивности аккумуляции в гумусе тяжелые металлы располагаются в следующем порядке Cu>Cd>Pb=Co>Ni>Zn>Mn. Макроэлементы (N, P, S, Mg, Fe, K) не аккумулируются.

Для осаждения микродоз тяжелых металлов в почвах в сельском хозяйстве используют внесение удобрений (минеральных, фосфорных, азотных, калийных). Например, внесение фосфорных и органических удобрений в почвы содержащие свинец, цинк, марганец, никель или стронций приводит к образованию при (рН<6) хелатных комплексных соединений, однако степень очистки зависит от дозы вносимых удобрений и условий вегетации растений. Образованию малорастворимых соединений тяжелых металлов в почвах способствует внесение фосфатов. Применение фосфатов целесообразно в породах с высоким рН, когда хелатные комплексы тяжелых металлов разрушаются. Доза и тип вносимых удобрений могут изменить поведение тяжелых металлов в почвах. Это связано с увеличением кислотности почв.

Как один из способов связывания тяжелых металлов в почвах используют гумусирование приводящее к образованию хелатных комплексных соединений. Однако недостатком метода является подкисление почв и неустойчивость хелатных соединений при высоких температурах . В общем случае применение фосфорных удобрений, известкования, органических удобрений способствует иммобилизации свинца, никеля, кадмия в почве.

Процесс химического окисления загрязнений в почвах, грунтах, подземных и поверхностных водах основывается на отдаче электронов с внешнего не устойчивого слоя электронной оболочки атомов веществ и элементов, что приводит к переходу загрязняющего вещества в менее токсичную и реакционноспособную форму. К отдаче электронов склонны атомы элементов, у которых во внешнем электронном слое содержится малое число электронов. Процесс является составной частью окислительно-восстановительного взаимодействия загрязняющего вещества и химреагента или реакционноспособной поверхности. На современном этапе развития методов очистки геологической среды окислительно-восстановительные процессы используют для удаления из воды и породы полициклических и ароматических углеводородов (ПAУ), нефтяных углеводородов, ионов аммония, элементарного фтора и микроорганизмов. В качестве реагентов, создающих окислительно-восстановительные условия и свободные электроны в поровом растворе грунтов, подземных и поверхностных водах, используют хлор, кислород, озон и атмосферный воздух.

Окисление кислородом и воздухом используют преимущественно для очистки почв, природных и техногенных грунтов неоднородных по проницаемости или слабопроницаемых. Этим способом удается снизить исходные содержания загрязнений до 3%. Для удаления полициклических и ароматических углеводородов из подземных и поверхностных вод также используют газообразный озон - метод озонирования .

Для химической иммобилизации (связывания) загрязнений используют неорганические вяжущие типа цемента, золы, Na- и K-силикатов, доменного шлака, смеси зола-известь и гелирующих веществ типа бентонита и целлюлозы. Иммобилизацию цементацией используют для связывания тяжелых металлов, радиоактивных отходов, полициклических и ароматических углеводородов, угольного дегтя и трихлорэтилена. Недостатком метода является неустойчивость некоторых вяжущих к агрессивным подземным водам, что приводит к постепенному выщелачиванию загрязнений и поступлению их в экосистемы.

УДК 656.13.176

Абсеитов Ерболат Тлеусеитович, 1 Амралин Аскар Уралович, 1

Нуралина Маржан Ембергеновна, 2

1 Казахский Агротехнический университет им. С. Сейфуллина г. Астана,

2 РГП «Центральная лаборатория биоконтроля, сертификации и предклинических испытаний», КН МОН РК

Эффективность биологического метода очистки почв

В результате загрязнения почв утрачивается сельскохозяйственное значение угодий. В связи с этим необходимо разрабатывать новые и использовать экологически безопасные и экономически обоснованные методы, направленные на интенсификацию процессов очистки почв.

В настоящее время широко используются физические, химические и биологические методы очистки загрязненных почв.

Широкое использование получили физические методы, основанные на использовании электрического тока. Это технологии электрохимической и электрокинетической очистки загрязненных почв . A study has been carried out by Roechan et al.

Технологии, основанные на электрохимических методах используются для очистки почвы от хлорированных углеводородов, фенолов и нефтепродуктов и обеззараживания грунта и почвы. При пропускании электрического тока через грунтыпроисходит электролиз воды в поровом пространстве, электрофлотация, электрокоагуляция и электрохимическое окисление. Эффективность окисления фенола - 70-92%. Эффективность обеззараживания - 95-99%. Расход электроэнергии и стоимость очисткисоставляют соответственно 32-160 кВт·ч/куб.м почвы и 86-260 $US/куб.м почвы.

Электрохимическая технология японской фирмы "ОБАЯСИ" обеспечивает высокую степень очистки от токсичных органических веществ до 25 наименований. Для очистки участка площадью 15 кв. м требуется обработка постоянным током напряжением 50 В с общим расходом электроэнергии 5 кВт. Для удаления 90% кадмия, цианидов, свинца, хрома, ртути и мышьяка требуется три месяца.

Электрокинетические технологии применяют для очисткиглинистых и суглинистых почв и грунтов при полной или неполной водонасыщенности от тяжелых металлов, цианидов, хлорорганики, нефти и нефтепродуктов. Основную роль здесь играют процессы электроосмоса и электрофореза. Преимуществом электрокинетической технологии является высокая степень контроля и управления процессом очистки. Исходные концентрации экотоксикантов могут быть снижены с 10-50 мг/кг до 1-10 мг/кг, что вполне укладывается в существующие нормы.

Параметры электрокинетического процесса: напряжение на электродах 4-200 В, напряженность поля 20-200 В/м, плотность тока 0.5-5.0 А/кв.м, расстояние между электродами 2-10 м, глубина их заложения - 2-5,0 м. Эффективность очистки - 80-99%. Добиться высокой очистки без применения химреагентов или растворов ПАВ невозможно. Применение специальных химических агентов снижает затраты электроэнергии и времени на очистку. Стоимость очистки грунтов составляет от 120 до 170 долл. США за 1 куб.м.

Очистка почв методом промывки осуществляется с использованием различных растворов. Загрязненные нефтью почвыпромывают растворами ПАВ, в качестве которых применяют ОП-10 или оксиэтилированные жирные кислоты (ОЖК). При использовании 0,02% раствора ОП-10 соотношение грунт: растворравно 1:16, степень очистки - 99.2%. При очистке дерновокарбонатных почв от нефтепродуктов раствором ОП-10 концентрацией 0.02% при соотношении грунт: раствор 1:30 степень извлечения составляет 93.5%. После очистки грунт или почва возвращаются и используются для рекультивации земель. Проблемой являетсябольшое количество полученной в процессе очистки воды, загрязненной нефтепродуктами и СПАВ, которую можно очистить на стационарных очистных сооружениях.

Для промывки используются также растворы, с высоким окислительным потенциалом (активный кислород, щелочная среда, активный хлор) с последующим сбором, очисткой дренажных стоков в электрохимическом комплексе. Для обезвреживания грунтов требуется от 12 до 48 месяцев. Нефтепродукты при этом частично вытесняются и извлекаются на очистных сооружениях.

Метод очистки загрязненных почв фитоэкстракцией заключается в выращивании на загрязненных почвах растений. Наиболее эффективен этот метод для очистки почв от никеля, цинка и меди. Загрязняющие вещества аккумулируются в корневой системе и в надземной части растений. Для достижения гигиенических нормативов концентраций вредных веществ в почве необходимо несколько циклов роста культур. If the plants are incinerated, the ash must После сжигают , пепел be disposed of in a hazardous waste landfill, but the volume of the ash is складируется на полигоне опасных отходов , но объем золы значительно smaller than the volume of contaminated soil if dug out and removed for меньше объема загрязненной почвы .treatment.

Некоторые растения могут аккумулировать в корневой системе и наземной массе значительные количества металлов :(See более 1000 миллиграммов на килограмм кобальта , copper, chromium, lead, or nickel; or 10,000 milligrams per kilogram (1 %) of меди , хрома , свинца , никеля или , или 10.000 мг / кг manganese or zinc in dry matter (Baker and Brooks, 1989). марганца и цинка в сухом веществе , поэтому их можно использовать в качестве ore because of the high metal concentration (Brady and Weil, 1999). руды для получения металлов .

Example of Disposal Эффективен биологический метод очистки почв, который заключается в направленной активизации почвенной микрофлоры, внесении микробных препаратов, разлагающих нефть, а также фиторемедиации - снижении загрязнения почвы, основанного на стимуляции естественного почвенного сообщества нефтеокисляющих микроорганизмов в результате их тесного взаимодействия с толерантными к нефти растениями.

Фиторемедиация позволяет активно рекультивировать большие территории с относительно низкой, по сравнению с другими технологиями, стоимостью работ при слабом негативном воздействии на окружающую среду. Время восстановления земель сокращается в 3-4 раза.

Биопрепараты стимулируют местный почвенный биоценоз и создают благоприятные условия для перехода нефтяных углеводородов в трудноокисляемое состояние. Образуются органические соединения гумусоподобного характера, положительно влияющие на почвенное плодородие. Создан целый ряд биопрепаратов, на основе активно разлагающих нефть микроорганизмов бактерий родов Rhodococcus, Bacillus, Arthrobacter, Acinetobacter, Azoto-bacter, Alkaligenes, нитевидных актиномицетов Streptomyces , грибов Aspergillus и Penicillium и др.

Разложение нефти в почве обусловлено не только непосредственным действием живых микроорганизмов, входящих в состав биопрепаратов, но и способностью последних влиять на аборигенное микробное сообщество почвы, повышая его способность утилизировать нефть. К таким препаратам относится Альбит, содержащий естественный природный микробный полимер полибета-гидроксимасляную кислоту из почвенных бактерий Bacillus megaterium и Pseudomonas aureofaciens , набор макро- и микроэлементов, хвойный экстракт и другие компоненты. Он стимулирует местный почвенный биоценоз и создает благоприятные условия для перехода нефтяных углеводородов в трудноокисляемое состояние. Образуются органические соединения гумусоподобного характера, положительно влияющие на плодородие почв.

Биопрепарат Альбит способен значительно снижать нефтяное загрязнение почв. Скорость разложения нефти в почве под действием Альбита увеличивается в среднем в 1,67-3,15 раза. В производственных опытах продемонстрировано, что Альбит совместно с высевом нефтетолерантных трав за один вегетационный сезон снижает нефтяное загрязнение почвы в 1,5-10,0 раза.

Литература

1.Злотников А.К. Биопрепарат Альбит для повышения урожая и защиты сельскохозяйственных культур – Подольск, ПФОП, 2006

2.Назаров А.В., Иларионов С.А. Потенциал использования микробно-растительного взаимодействия для биоремедиации //Биотехнология 2005, №5

Проблема относится к числу наиболее актуальных в связи с общим ухудшением среды обитания человека и непосредственно - селитебных территорий. В зависимости от масштаба и характера загрязнения возможны два основных направления санации почв: удаление верхнего слоя грунта на свалку или для переработки на специальных установках; разрушение вредных веществ различными способами непосредственно на месте. Отметим, что известные методы иммобилизации загрязнений в почве, например цементирование отдельных участков, их обвалование и др., часто рассматриваемые как способы очистки территорий, ими не являются, так как не обеспечивают удаления вредных веществ.[ ...]

Способы очистки почв от загрязнений можно разделить на физические, химические, физико-химические и биохимические.[ ...]

Физические методы предусматривают удаление верхнего слоя грунта с загрязненных территорий на свалку или в специально отведенные места. К ним же следует отнести все варианты промывки почвы с растворением загрязнителей в промывающей жидкости (воде).[ ...]

Химические методы включают термические способы, процессы выщелачивания, связывания загрязнителей в комплексные соединения и т.д.[ ...]

Термические способы используют для удаления органических веществ и некоторых цветных металлов, химической стабилизации грунтов. Их реализуют в различных вариантах: нагрев на воздухе, в вакууме, пиролиз и др.[ ...]

Нагревание на воздухе применяют для земель, загрязненных нефтью, маслами, бензином, галогеносодержащими и другими органическими соединениями. Термообработка обычно заключается в выдержке материала при 700-800°С с выгоранием углеводородов. Физикохимические свойства почвы при этом изменяются незначительно. Биологическую активность термически обработанных почв восстанавливают, добавляя при необходимости компост и другие минеральные вещества.[ ...]

В настоящее время стационарные и передвижные установки для термообработки почв на воздухе очищают миллионы тонн загрязненных земель. В частности, общая годовая производительность установок только фирмы Nord (Германия) составляет 300 тыс. т при их единичной мощности 50-80 тыс. т. Емкость хранилищ равна суммарной годовой производительности установок (Massive...).[ ...]

Ваку у mho-термический метод санации почвы реализован в США в варианте передвижной установки. Загрязненный органическими соединениями грунт загружают в вакуумный барабан типа бетоносмесителя, установленный на шасси автомобиля. Длина барабана 4,5 м, диаметр 2,4 м, частота вращения 10-18 мин. При нагревании летучие органические соединения испаряются и далее ожижаются в конденсаторе, размещенном на прицепе автомобиля. Конденсат после очистки на фильтр»е пригоден к использованию по целевому назначению. Продолжительность цикла обработки одной загрузки грунта составляет 45 мин (Crosby).[ ...]

Термические способы реализуются не только на специальных установках, к которым доставляют подлежащую очистке почву, но и могут осуществляться непосредственно на месте. Один из таких методов предусматривает остекловывание почвы. В последнюю вводят электроды и, пропуская ток, нагревают ее до высоких температур (2160°С). Грунт при этом расплавляется, органика пиролизуется, образующиеся газы поступают на очистку. Последующее охлаждение почвы приводит к ее остекловыванию и связыванию в устойчивые от вымывания формы таких загрязнителей, как, например, радионуклиды и тяжелые металлы (In situ...).[ ...]

Выщелачивание как химический метод очистки почв заключается в обработке грунта 2%-ным раствором соляной кислоты при pH, равном 2, в течение 10 мин. Содержание таких загрязнителей, как мышьяк, кадмий, медь, никель, цинк и свинец снижается при этом на 86-98% (Acid...).

Изобретение относится к области сельского хозяйства. Способ очистки почв от тяжелых металлов включает выращивания растений фитомелиорантов на загрязненных почвах с последующим их удалением. В качестве растения - фитомелиоранта используют сафлор. Семена сафлора высевают в загрязненную почву из расчета 20-22 кг/га, доводят взрослые растения до фазы окончания цветения и начала отмирания нижних листьев, после чего фитомелиорант полностью удаляют из почвы. Обеспечивается полное поглощение ионов тяжелых металлов. 3 табл.

Изобретение относится к сельскому хозяйству и может быть использовано при проведении специальных мероприятиях по снижению содержания в загрязненных почвенных ценозах токсичных концентраций тяжелых металлов с целью восстановления или улучшения агрохимических показателей, необходимых для получения экологически безопасной продукции.

В настоящее время отечественными и зарубежными исследователями ведется поиск растений - гипераккумулянтов, свойства которых позволяют эффективно извлекать тяжелые металлы из загрязненной почвы .

В литературных источниках сообщается, что рекультивация грунтов или очистка их от загрязнений с помощью растений является сравнительно новым методом (десять лет), экологическим и прогрессивным. Он позволяет исключить или ограничить перенос тяжелых металлов по цепочке от человека к грунтам и грунтовым водам без ущерба для окружающей среды .

В аналоговых работах авторами показано, что в целях фиторемедиации загрязненных почв (очистка при помощи растений) используют следующие растения - аккумулянты: ракитник, редька масличная, амарант и даже дикорастущие растения .

Наиболее близким аналогом к изобретению по совокупности основных существенных признаков является способ очистки почв от тяжелых металлов путем выращивания растений - фитомелирантов на загрязненных почвах с последующим их полным удалением из почвы (см. RU 2282508, Кл. A01B 79/02, 27.0.2006).

К недостаткам аналоговой работы следует отнести изучение только одного загрязнителя - цезия, не указан коэффициент биологического накопления загрязнителя по используемым культурам, нет четкого понятия о сроке уборки, поскольку использовались культуры разных групп технологических требований и биологии развития.

Задачей изобретения является улучшение экологического состояния естественных и культурных биогеоценозов за счет снижения содержания токсичных концентраций тяжелых металлов в корнеобитаемом слое почв.

Технический результат - более полное поглощение ионов тяжелых металлов (свинец, кадмий и медь) из почвенного раствора при создании оптимального покрытия растениями сафлора загрязненной площади.

По сущности поставленная задача достигается тем, что на загрязненных почвах возделывают сафлор, семена высевают из расчета 60-80 растений на м 2 (20-22 кг/га) с последующим доведением и полным удалением растений до фазы окончания цветения и начала отмирания нижних листьев.

Предлагаемая норма высева обеспечивает полный охват корневой системой растения по объему загрязненной почвы. При меньшей норме высева охват не полный, а при большей норме снижается резко продуктивность надземной массы и, как следствие, общий вынос тяжелых металлов растениями сафлора.

Пример конкретного выполнения

Опыты проводились на территории очистных сооружений г.Истры.

Проводили весенний посев растений вручную с последующей заделкой граблями.

Пробы почв отбирали до посева и сразу после уборки сафлора.

Уборку проводили, доведя развитие растений до фазы окончания цветения и начала отмирания нижних листьев.

Полученные результаты в ходе выполнения эксперимента в полевых условиях убедительно доказывают, что сафлор может быть отнесен к растениям - гипераккумулянтам тяжелых металлов.

Интересно отметить, что, как правило, при выращивании на загрязненных почвах, даже у гипераккумулянтов, содержание таких металлов, как свинец, кадмий и медь в растительных образцах по надземной части не превышает 1,2; 0,5-1 и 10-12 мг/кг сухой массы соответственно (табл.1).

На основании представленных результатов и данных по содержанию тяжелых металлов (подвижная форма) в почве произведен расчет коэффициента биологического накопления (поглощения) (табл.2).

Как известно, если у растений даже по надземной массе коэффициент биологического накопления токсикантов больше единицы, то данный вид может быть отнесен к гипераккумулянтам, в рассматриваемом примере высокий КБН TA достигнут и по корневой части опытных растений.

Анализ биопродуктивности растений в фазу цветения не выявил проявления токсичного влияния загрязненной почвы на рост и развитие сафлора - средняя сухая масса стеблей составила 557 г, корней - 143 г см 2 соответственно. Посев семян проводится вручную из расчета 60-80 растений на 1 кв. м.

При загущенном посеве, свыше 80 раст./м 2 , отмечали снижение продуктивности надземной массы в среднем на 16%, растения отставали в росте, корневая система сафлора имела меньшую массу, видимо при уплотнении посевов у растений сафлора проявляется аллелопатия - взаимное угнетение роста и развития.

Результаты испытании сафлора при использовании в качестве фитомелиоранта убедительно доказывают высокую эффективность аккумулирующей способности растений для снижения содержания тяжелых металлов в корнеобитаемом слое почвы.

Способ очистки включает следующие мероприятия:

Подготовка почвы к посеву;

Посев фитомелиоранта из расчета 60-80 раст./м 2 (20-22 кг/га), глубина заделки семян 4-5 см;

Доводят развитие растений сафлора до фазы окончания цветения и начала отмирания нижних листьев, затем полностью удаляют их из загрязненной почвы.

Предлагаемый способ позволяет существенно повысить эффективность фитосанации, и при установлении авторского права дает основание для разработки ТУ различных схем фитореабилитации загрязненных территорий.

Источники информации

1. Баран С., Кжывы Е. Фиторемедиация почв, загрязненных свинцом и кадмием, при помощи ракитника / Влияние природных и антропогенных факторов на социоэкосистемы, 2003. №2. - С.39-44.

3. Жадько С.В., Дайнеко Н.М. Накопление тяжелых металлов древесными породами улиц г.Гомеля. // Изв. Гомел. гос.ун-та, 2003. №5. - С.77-80.

4. Кудряшова В.И. Аккумуляция ТМ дикорастущими растениями. - Саранск - 2003 г. - С.10, 18, 50, 78.

5. Rakotosson Voahirana. Les metaux lourds et la phytorenediation: l"etat de l"art. // Eau, ind., nuisances. 2003. №260. - C.45-48.

Способ очистки почв от тяжелых металлов путем выращивания растений - фитомелиорантов на загрязненных почвах с последующим их удалением, причем в качестве растения - фитомелиоранта используют сафлор, семена сафлора высевают в загрязненную почву из расчета 20-22 кг/га, доводят взрослые растения до фазы окончания цветения и начала отмирания нижних листьев, после чего фитомелиорант полностью удаляют из почвы.

Биологические методы очистки воды находят все большее применение. Эти методы характеризуются простотой и эффективностью. Загрязненные воды собирают в отстойниках или прудах со слабым течением, в которых происходит развитие микроорганизмов и водорослей. Биологический метод очистки воды основан на способности микроорганизмов использовать в качестве ростовых субстратов различные соединения, входящие в состав загрязненных вод. Достоинства данного метода заключаются в возможности удаления из стоков широкого спектра органических и неорганических веществ, простоте аппаратурного оформления, относительно невысоких эксплуатационных расходах. В ходе очистки необходимо строго соблюдать технологический режим и учитывать чувствительность микроорганизмов к высоким концентрациям загрязнителей, что требует предварительного разбавления стоков.

Многие микроорганизмы способны накапливать металлы в больших количествах. В ходе эволюции в них сформировались системы поглощения отдельных металлов и их концентрирования в клетках. Микроорганизмы, помимо включения в цитоплазму, способны также сорбировать металлы на поверхности клеточных стенок, связывать их метаболитами в нерастворимые формы, а также переводить в летучую форму. Селекция в этом направлении и применение новых генноинженерных методов позволяют получать формы, активно аккумулирующие металлы, и на их основе создавать системы биоочистки.

Таким образом, микроорганизмы накапливают растворенные металлы внутриклеточно или, выделяя специфические продукты обмена, переводят их в нерастворимую форму и вызывают осаждение. С помощью биосорбции даже из разбавленных растворов возможно 100%-ное извлечение свинца, ртути, меди, никеля, хрома, урана и 90%-ное - золота, серебра, платины, селена [21 ].

Внутриклеточное накопление металлов может быть очень значительным. Так, установлена способность водорослей, дрожжей и бактерий эффективно сорбировать уран из морской воды. Один из способов биосорбции - пропускание раствора металлов через микробный биофильтр, представляющий собой живые клетки, сорбированные на угле. Выпускаются также специальные биосорбенты, например «Биосарбент М» (Чехия), изготовленный в виде зерен размером 0,3-0,8 мм (микробных клеток и носителя); сорбент используют в установках, работающих на ионообменных смолах. Возможно также производство сорбентов на основе микробных полисахаридов. Такие сорбенты можно широко применять в различных условиях, включая природные, они просты в употреблении. Металлы на следующей стадии после концентрирования микроорганизмами следует извлечь из микробной биомассы. Для этого существуют различные способы: недеструктивные, а также экстракция путем разрушения клеток.

Трансформация химических соединений в почвенной среде определяется комплексом физических, химических и биологических факторов. Деградация ксенобиотиков может происходить в результате физических и химических процессов и существенно зависит от типа почвы, ее структуры, влажности, температуры и др. Ксенобиотики временно или постоянно накапливаются в окружающей среде и отрицательно влияют на все живое. Биологическая трансформация соединений, попавших в окружающую среду, может протекать в различных направлениях, приводя к минерализации, накоплению или полимеризации. Но биологическая деградация ксенобиотиков оправдана только тогда, когда происходит их полная минерализация, разрушение и детоксикация [21 ].

В природных условиях на ксенобиотики воздействуют микробные сообщества. Благодаря гетерогенности природных микробных сообществ, ксенобиотики в принципе могут подвергаться биодеградации, а наличие в микробных сообществах взаимосвязанных метаболических путей разрушения токсинов является основой для борьбы с загрязнением окружающей среды. Возможности микробных сообществ в отношении деградации многих токсичных соединений значительны. Доказано, что при повторном попадании в среду многих химических соединений время до начала их трансформации (так называемый адаптационный период микроорганизмов по отношению к данному субстрату) значительно короче по сравнению с первым попаданием этого соединения. В течение этого периода микроорганизмы в ходе адаптации к токсическому соединению как субстрату селектируются по способности деградировать данный субстрат. В результате естественным путем возникают микробные популяции, которые могут сохраняться в почве в течение нескольких месяцев после полной деградации токсиканта. Поэтому к моменту нового поступления этого соединения в почву в ней уже присутствуют адаптированные микроорганизмы, способные разрушить токсикант. Таким образом, после попадания ксенобиотиков в почвенную среду из нее можно выделить микробные виды, способные деградировать конкретные ксенобиотики и далее вести селекцию на увеличение скорости деградации. При попадании новых веществ в окружающую среду может происходить природное генетическое конструирование, в результате которого возникают микробные формы с новыми катаболическими функциями. Таким образом, природные генетические механизмы обмена информации позволяют получать эффективные штаммы -деструкторы ксенобиотиков.

В целом биологическую очистку, т.е. удаление загрязнителей посредством стимуляции деятельности биоты в почвах и водоемах, принято называть биоремедиацией (bio - жизнь, remedio - лечение). Это может быть биостимуляция природных микроорганизмов (микробного ценоза) путем внесения удобрений непосредственно в очищаемый участок природной среды или накопления в лаборатории препарата тех микроорганизмов загрязненного ценоза, которые способны наиболее эффективно утилизировать данный загрязнитель. Это может быть, например, улучшение природного ценоза посредством внесения специализированных микроорганизмов, которые ранее были выделены и отселектированы микробиологическими методами и размножены в виде биопрепарата. Во всех случаях биоремедиация предполагает создание в очищаемом участке среды высоких концентраций биогенов (удобрений) и клеток активно размножающихся микробных сообществ (бактерий, актиномицетов, грибов и микроводорослей). Ниже приводится более подробная оценка биоремедиации некоторыми авторами [22 ].

Применение активных штаммов микроорганизмов-деструкторов, выделение и использование устойчивых к загрязненным водам микроводорослей, введение в очищающий консорциум высших водных растений привело к созданию новой комплексной биотехнологии очистки и восстановления водоемов, загрязненных нефтепродуктами. Экотехнология позволяет проводить биоремедиацию водоемов, подвергнутых аварийному загрязнению нефтепродуктами, и водоемов, систематически в течение многих лет загрязняемых нефтесодержащими стоками.

Фиторемедиация (использование фотосинтезирующих организмов) позволяет увеличивать энергетические ресурсы очищаемой экосистемы при умеренном использовании органических удобрений для стимуляции микробной деятельности. Она наиболее близка к природным процессам. Опасна ли возможная в таких случаях эвтрофикация - увеличение локальных концентраций удобрений и стимуляция массового размножения микроорганизмов? Опыт позволяет утверждать, что временную эвтрофикацию водоемов и почв можно контролировать и использовать для увеличения продуктивности ценоза. Поэтому фиторемедиация - это контролируемая эвтрофикация водоема для разрушения в нем примесей ненормально высоких концентраций углеводородов. Учитывая, что в любой, даже самой чистой (например, байкальской) воде, предполагается наличие малых концентраций углеводородов и аборигенной микрофлоры, способной к их разрушению, фиторемедиацию следует осуществлять как биотехнологию, основанную на использовании природных процессов.

Активизация процесса биологического разрушения нефтепродуктов требует интенсификации бактериального разложения углеводородов и организации в пространстве процесса переработки этой бактериальной биомассы в пищевых цепях.

Биоремедиация предполагает разработку технологий, задачей которых является использование биохимического потенциала аборигенных, адаптированных или модифицированных биологических систем, прежде всего микроорганизмов, для деградации или детоксикации поллютантов. Биоремедиация обладает большими потенциальными возможностями для предотвращения загрязнения окружающей среды и борьбы с уже имеющимся загрязнением.

По сравнению с другими методами очистки окружающей среды биоремедиация гораздо дешевле. При рассеянном загрязнении, как в случае с пестицидами, применяемыми на огромных площадях, загрязнениями нефтью и нефтепродуктами территорий Западной Сибири, тринитротолуолом, которым загрязнены полигоны и стрельбища, альтернативы биоремедиации просто нет.

Процессы биоремедиации иногда могут осуществляться природными микроорганизмами. Задача ученых в этом случае заключается в стимуляции биодеградативной активности этих микроорганизмов. Если в почве или воде, загрязненной ксенобиотиками, отсутствуют микроорганизмы, способные к деградации данных соединений, целесообразна интродукция туда микроорганизмов-биодеструкторов. В отличие от промышленной биотехнологии, где имеется возможность выдерживать все параметры технологического процесса, биоремедиация, как правило, осуществляется в буквальном смысле этого слова в открытой системе, т.е. в окружающей среде. Поэтому в гораздо большей степени успех процесса биоремедиации зависит от критической массы знаний, опыта, методов, и, наконец, разнообразия микроорганизмов, способных осуществлять реакции биодеградации. В известной мере это будет всегда «ноу-хау», определяемое вышеперечисленными обстоятельствами.

Разработка теоретических основ процессов биоремедиации, самих технологий и их осуществление требуют междисциплинарного подхода и участия специалистов в области генетики и молекулярной биологии, науки об окружающей среде, инженерных дисциплин. Так, например, создан новый микробный препарат«Деворойл», реализующий биотехнологию очистки, основанную на применении микробных ассоциаций, активно утилизирующих углеводороды нефти, и позволяющую в максимально короткий срок очищать от загрязнения нефтью и нефтепродуктами воду и почву [23 ]. Специальные добавки в его состав значительно активизируют процесс деструкции нефти. Простота технологии применения препарата связана с использованием обычных механизированных средств для распыления, г. на больших площадях - авиации. Для очистки ливневых сточных вод от нефтяных загрязнений препарат наносится на поверхность плавающих биофильтров, используемых на очистных сооружениях. Области применения препарата «Деворойл»:

Очистка от загрязнения нефтью и нефтепродуктами воды, содержащей более 5% нефти, и почвы с нефтезагрязнением свыше 20 кг/м 3 ;

Очистка от нефтезагрязнений грунтов на территориях аэропортов, депо, автозаправочных и моечных станций, складов ГСМ и хранилищ нефти и нефтепродуктов;

Очистка поверхностных (ливневых) сточных вод от углеводородных загрязнений.

Преимущества использования препарата «Деворойл»:

Высокая активность окисления углеводородов различных классов;

Возрастание эффективности очистки за счет действия препарата не только на границе водонефтяного контакта, но и в толще загрязнителя благодаря подобранной ассоциации гидрофильных и липофильных микроорганизмов, что дает выигрыш во времени, необходимый для нейтрализации загрязнения;

Эффективность использования в природных и антропогенных средах с соленостью до 150 г/л; в широких диапазонах рН среды (2-9), а также в условиях резких колебаний температуры и при значительном химическом загрязнении;

Простота и экономичность (низкие затраты) при высокой эффективности.