РХТУ АЕК Тема 13 План лекции Определение биоремедиации. Основные факторы, влияющие на выбор методов и технологий ремедиации почв. Классификация методов и технологий ремедиации. Методы биоремедиации. Этапы проведения биоремедиационных работ. Биоремедиация почв
РХТУ АЕК Кн. 2, т.1, с. 472-561 Вопросы в экзаменационных билетах 1. Биотехнологические методы ремедиации природных сред и обезвреживания загрязнений. Классификация. Основные задачи и проблемы. Примеры. 2. Биоремедиация и биологическая очистка природных сред методами in situ. 3. Биоремедиация и биологическая очистка природных сред методами o n site и off site. 4. Биоремедиация и биологическая очистка природных сред, загрязненных «легкими» и летучими органическими ксенобиотиками. Основные технологические принципы организации процесса и решения для очистки и биоремедиации. Примеры. 5. Биоремедиация и биологическая очистка природных сред, загрязненных «тяжелыми» и малолетучими органическими ксенобиотиками. Основные технологические принципы организации процесса и решения для очистки и биоремедиации. Примеры. 6. Биоремедиация и биологическая очистка природных сред, загрязненных тяжелыми металлами. Основные технологические принципы организации процесса и решения для очистки и биоремедиации. Примеры. 7. Биоремедиация и биологическая очистка природных сред, загрязненных растворимыми органическими ксенобиотиками. Основные технологические принципы организации процесса и решения для очистки и биоремедиации. Примеры.
РХТУ АЕК Комплекс мероприятий, направленных на очистку и восстановление свойств природных сред, в частности почв, грунтов, донных осадков, называется ремедиацией. Направление исследований и разработок, связанных с использованием биотехнологий для очистки природных сред, получило название биоремедиации. ОСНОВНЫЕ ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ВЫБОР СПОСОБОВ И ТЕХНОЛОГИЙ РЕМЕДИАЦИИ ПОЧВ - уровень загрязненности, концентрация загрязнения, площадь, глубина проникновения, - свойства веществ-загрязнителей, - свойства почвенной среды, фильтрационные свойств пород, - климатические, гидрогеологические, гидрохимические условия, - структура экосистемы, характер загрязненного ландшафта, - тип источника загрязнения (точечный, площадной-диффузный), - биологическая активность и санитарное состояние почв, - сроки очистки, требования к срокам очистки, - используемый биологический агент, - требования к остаточному содержанию загрязнений, - метод оценки уровня загрязненности, - формы хозяйственного использования земель, - технические и финансовые возможности.
РХТУ АЕК Капиллярная зона Источник разлива LNAPL Остаточное загрязнение Поверхность почвы Диффузия в атмосферу Вадозная зона Плавающий слой («блин», линза) Компоненты загрязнения, растворенные в воде Фреатическая зона (зона насыщения) Водоупорный горизонт Течение грунтовых вод Зеркало воды Диффузия в почвенные горизонты Подповерхностное распределение разлива легкой жидкой неводной фазы ( LNAPL ). Примеры: нефть и нефтепродукты, бензол, толуол и др.
РХТУ АЕК Распределение плотной жидкой неводной фазы ( DNAPL ) в вадозной и фреатической зонах. Примеры: галогенированные соединения (трихлорэтилен, пентахлорэтилен, четыреххлористый углерод, полихлорированные бифенилы, полиароматические углеводороды. Капиллярная зона Источник разлива DNAPL Остаточное загрязнение Поверхность почвы Диффузия в атмосферу Вадозная зона Компоненты загрязнения, растворенные в воде Фреатическая зона Водоупорный горизонт Течение грунтовых вод Зеркало воды Погружной слой Диффузия в почвенные горизонты
РХТУ АЕК КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ И ТЕХНОЛОГИЙ РЕМЕДИАЦИИ Методы ремедиации: - небиологические (механические, физико-химические, химические), - биологические, - комбинированные. Пункты сравнения Ремедиация Биоремедиация Исследование применимости конкретной технологии для очистки конкретного места загрязнения Стандартные анализы, дающие однозначный ответ Комплексные междисциплинарные исследования, требующие высокой квалификации и эвристических решений Стандартизация применения технологии Высокая; конвейерный метод очистки разных мест загрязнения Низкая; каждый проект "штучного исполнения" Воздействие на почву Жесткое: высокие температуры, горячие растворители и газы Мягкое: добавление субстратов, воды, микроорганизмов Длительность очистки Дни, недели Месяцы, годы Надежность технологий Высокая; мало зависит от особенностей места загрязнений Низкая; сильно зависит от особенностей места загрязнения Стоимость среднего проекта 100% 60 - 90% Потенциальная экологическая опасность Образование опасных промежуточных продуктов неполного разложения загрязнения Экологически дружественны. Однако иногда возможно образование опасных промежуточных продуктов неполной биодеградации загрязнения
РХТУ АЕК С точки зрения используемых организмов возможна биоремедиация: - с использованием бактерий - с использованием грибов - с использованием растений (фиторемедиация) - с использованием водорослей - с использованием высших животных (вермикультура) - комбинированный метод. Классификация биологических методов по способу активизации почвенных микроорганизмов: - основанные на дополнительном внесении биологического агента (методы биоаугментации ) - основанные на активизации жизнедеятельности природной, аборигенной (естественной, автохтонной, местной, дикой, туземной, индигенной) микрофлоры, обитающей в загрязненном биотопе (методы биостимулирования ). T pH O 2 H 2 O N P Приготовление суспензии микроорганизмов и их активизация Сухой биопрепарат
РХТУ АЕК По месту обработки почвы или другого загрязненного материала принято различать методы in situ, on site, ex situ ( off site ). Биопрепарат T pH O 2 H 2 O N P T pH O 2 H 2 O N P Биопрепарат in situ on site ex situ (off site) T opt pH opt O 2opt H 2 O opt N opt P opt T O 2 N P Варианты очистки загрязненной среды по месту обработки.
РХТУ АЕК Методы on site (рядом с местом загрязнения) требуют изъятия загрязненного слоя, методы ex situ его транспортировки на полигоны или специальные площадки и очистные установки. Самый простой в реализации – способ in situ, но наиболее оптимальные условия для работоспособности микроорганизмов может обеспечить способ ex situ. При небольшом объеме загрязненных почв выгодно использовать методы off-site, за исключением случаев, когда изъятие почвы с загрязненного участка технически невозможно. В случае, когда требуется очистить более 2-3-х тысяч м 3 почв более дешевыми оказываются методы in situ. В ряде стран, где перевозки загрязненных материалов запрещены, in situ обработка является единственно приемлемой. При on site, ex situ и в ряде вариантов in situ обработки применяются активные методы воздействия и регулирования условий среды, способствующие процессам очистки. В пассивных методах используются и контролируются, главным образом, естественные механизмы самоочищения. Преимущество пассивных технологий над активными – сокращение эксплуатационных затрат на протяжении длительного времени ремедиации.
РХТУ АЕК Ксенобиотик Накопление Минерализация Полимеризация (образование связанных остатков) Накопление токсичных продуктов Биологическая трансформация Распад под воздействием абиотических факторов: h , гидролиз и др. Переход из одной среды в другую, адсорбция частицами почвы и другими частицами биотического или абиотического происхождения В общем виде пути превращения ксенобиотиков в окружающей среде можно представить в виде схемы Технологии очистки нацелены на контролирование и использование всех этих превращений для удаления и обезвреживания загрязнений
РХТУ АЕК Обезвреживание по способам перевода загрязнений из одной формы в другую: – деградация и биодеградация органических ксенобиотиков; – перевод в легкомигрирующую форму, растворимое состояние, извлечение и переработка наиболее загрязненных компонентов, растворов (тяжелые металлы, радионуклиды, органические ксенобиотики); – связывание в почвенной среде, перевод в нерастворимое состояние и обездвиживание (тяжелые металлы, пестициды, ПАУ и др.); – транслокация поллютантов из почвенных сред в растения, микрофлору, биомассу животных с последующей переработкой биомассы; – комбинированная обработка : например, для деградации особенно устойчивых молекул могут использоваться абиотические катализаторы, усиливающие процессы биодеградации, такие как УФ-излучение, неорганические восстановители, реагент Фентона ( H 2 O 2 + Fe 2+ ) и др.
РХТУ АЕК С точки зрения используемой биотехнологии возможны: - биоремедиация пассивная (природное истощение, внутренняя биоремедиация) и активная (биостимулирование, биоаугментация, промывка, биовентилирование, биобарботирование, с откачкой жидкой фазы под вакуумом); - биоконцентрирование (биоадсорбция, биоаккумуляция, биоиммобилизация, образование связанных остатков); - биомобилизация загрязнений (биовыщелачивание, внесение ПАВ, комплексообразователей, изменение pH почвенной среды); - биовосстановление (водородом и др. восстановителями); - реакционно активные барьеры (искусственные биогеохимические барьеры и биоэкраны, проницаемые реактивные барьеры); - обработка загрязненного материала в кучах, буртах, насыпях ; - компостирование и вермикомпостирование ; - биорыхление ; - обработка в биореакторах ; - фиторемедиация (фитоэкстракция, фитостабилизация, фитодеградация, фитотрансформация, фитодезактивация, фитоиспарение, ризофильтрация).
РХТУ АЕК Природное истощение ( самоочищение ) (natural attenuation) или внутренняя ремедиация (intrinsic remediation) – стратегия очистки in situ, опирающаяся на протекание естественных механизмов самоочищения. Предусматривает оценку возможностей самоочищения и факторов, которые управляют природными процессами самоочищения в почвенных и подпочвенных горизонтах, мониторинг распространения и превращения загрязнений в ходе ремедиации и оценку риска для окружающей среды и человека. Результаты мониторинга должны свидетельствовать о протекании ремедиации со скоростями, достаточными для уменьшения рисков здоровью человека и состоянию окружающей среды в приемлемый период. Применяется, когда естественное самоочищение протекает относительно интенсивно, например, в песчаных почвах, и имеется достаточно много времени для ликвидации загрязнения. Чаще всего используется при ликвидации загрязнений нефтью и нефтепродуктами, хлорорганическими растворителями. Преимущество пассивных технологий над активными – сокращение расходов на эксплуатационные затраты, длящиеся в течение долгого времени ремедиации. МЕТОДЫ БИОРЕМЕДИАЦИИ
РХТУ АЕК Биостимулирование – метод in situ, предусматривающий активизацию жизнедеятельности природного сообщества (аборигенной микрофлоры или популяции растений) путем создания оптимальных условий окружения (компонентов питания, физико-химических условий). Для биостимуляции проводится соответствующая обработка места загрязнения. Вариант биостимулирования – биостимулирование in vitro. В этом случае из места загрязнения извлекают образцы естественной микрофлоры почвы или воды, которые затем для повышения их биоремедиационных характеристик "стимулируются" вне места загрязнения (в биореакторах, в ферментерах и др.). Затем такая "стимулированная" микрофлора вносится в место загрязнения.
РХТУ АЕК Биоаугментация – внесение экзогенного биологического материала в природную среду. Чаще всего в место загрязнения вносятся специализированные микроорганизмы (в виде биопрепаратов ), которые заранее были выделены из природных источников и/или апробированы в лабораторных исследованиях или специально генетически модифицированы. Используется, когда внесенные организмы повышают скорость и качество очистки при гарантированном отсутствии нежелательных побочных эффектов (экологических, санитарно-гигиенических). Чаще всего применяется при ликвидации незастарелых поверхностных загрязнений нефтью и нефтепродуктами, а также в песчаных почвах или на участках, где возможно механическое перемешивание почвы.
РХТУ АЕК В методе промывки загрязнение удаляется за счет его конвективного транспорта, как правило с грунтовыми водами, откачиваемыми через пробуренные скважины, прорытые траншеи или колодцы на разных уровнях или инфильтруемыми под действием естественного гидравлического напора в сборные коллекторы. Для усиления потока грунтовых вод и вымывания загрязнений почва может промываться дополнительными количествами воды, в которую могут также добавляться различные вспомогательные вещества (например, кислород), стимулирующие микробиологические процессы деструкции загрязнений, процесс вымывания и растворения загрязнений. Метод промывки используется, если загрязненная зона относительно невелика, например при утечках с автозаправочных станций. Загрязненная вода может очищаться на фильтрах или биофильтрах и закачиваться обратно в водоносный горизонт.
РХТУ АЕК
РХТУ АЕК Передвижное вакуумное очистное устройство
РХТУ АЕК Биостимулирование с промывкой участка при загрязнении выше уровня грунтовых вод
РХТУ АЕК Биостимулирование с промывкой участка при загрязнении ниже уровня грунтовых вод
РХТУ АЕК Промывка почвы с дополнительной обработкой промывной воды на биофильтре
РХТУ АЕК
РХТУ АЕК При биовентилировании (bioventing) или методе экстракции почвенных газов воздух нагнетается или откачивается выше уровня грунтовых вод через вертикальные или горизонтальные фильтры или коллекторы. В результате интенсифицируется биологическая деградация загрязнений. Отработанный воздух может дополнительно очищаться на фильтрах или биофильтрах. Метод используется, если загрязнение находится выше уровня грунтовых вод и летуче, а вадозная зона достаточно проницаема для обеспечения обмена воздуха по крайней мере в течение каждых 24 час.
РХТУ АЕК Типичная система биовентилирования уровень грунтовых вод вадозная зона вакуумная помпа контроль эмиссии (инсинератор или биофильтр) движение воздуха компрессор вентилируемая зона движение воздуха кислород, влага, минеральное питание
РХТУ АЕК При биобарботировании ( biosparging ) воздух нагнетается через колодцы или инфильтрационные штольни и барботажные устройства, установленные ниже уровня грунтовых вод. В глубоких колодцах производится отдувка летучих загрязнений барботируемым воздухом, который затем улавливается и очищается. Попутно откачивается загрязненная вода, которая после удаления загрязнения насыщается кислородом и подается в подпочву. Прошедший через загрязненный участок воздух поступает в сборные устройства и далее очищается доступными методами.
РХТУ АЕК Принцип метода барботирования загрязненная вода Уровень грунтовых вод воздух Фильтр Очистка воды воздух Орошение Зона загрязнения
РХТУ АЕК Метод с откачкой жидкой фазы под вакуумом. Загрязнения удаляются в виде жидкой фазы или паров под действием вакуума, создаваемого в откачивающих скважинах. Применение вакуума также способствует поступлению воздуха в подпочву (который может быть инжектирован путем биовентилирования и/или просачивается через поверхность), что способствует более интенсивному протеканию биологических процессов окисления загрязнений в вадозной зоне. Извлеченная масса загрязнения может быть регенерирована. Грунтовые воды и пары почвенного воздуха обрабатываются отдельно, после чего грунтовая вода сливается, а воздух стравливается в атмосферу. Достоинства технологии: - загрязнение может быть извлечено без экстракции грунтовых вод, что уменьшает объемы извлекаемой воды, требующей очистки; - загрязнение может быть извлечено с глубины до 16 м; - колодцы могут быть установлены ниже зеркала грунтовых вод.
РХТУ АЕК Принцип метода с откачкой жидкой фазы под вакуумом Уровень грунтовых вод Очистка воздуха Очистка воды Орошение Зона загрязнения воздух Извлечение (регенерация) загрязнений вакуум
РХТУ АЕК Биоконцентрирование (биоадсорбция, биоаккумуляция, биоиммобилизация, образование связанных остатков) – накопление вещества-загрязнителя в локальной зоне в результате жизнедеятельности организмов путем адсобции, иммобилизации, связывания, обездвиживания в твердой фазе органических или неорганических веществ или в биогенном материале. Биогенная масса с накопленным загрязнением может быть извлечена и переработана отдельно. Методы биоконцентрирования используются при очистке природных загрязненных водных сред. Варианты биоконцентрирования при очистке почв – некоторые виды реакционных барьеров, фитоэкстракция, ризосферная фильтрация. Концентрирование, обездвиживание загрязняющего вещества – внесение неорганического или органического материала в почву, который адсорбирует или связывает загрязнение и переводит его в инертную форму. Пример таких материалов – активный уголь, цеолиты, кальциты, бентонитовая глина, красная глина, гумифицированное органическое вещество (компосты, навоз, перегной, торф, бурый уголь, лигнины).
РХТУ АЕК Биомобилизация – перевод загрязнений в подвижную форму. В результате биовыщелачивания тяжелые металлы выщелачиваются (вымываются) под действием микроорганизмов из малоподвижной инертной формы и переходят в более подвижную водорастворимую форму. Растворы металлов собираются и далее перерабатываются. Вариант организации биовыщелачивания тяжелых металлов
РХТУ АЕК Сурфактант-усиленная биоремедиация – очистка с добавлением ПАВ. В результате применения поверхностно-активных веществ или образования их микроорганизмами (биоПАВ, биосурфактанты, биоэмульсификаторы) такие загрязнения как нефть легче десорбируются с инертных материалов, эмульгируются и удаляются из загрязненной зоны. Преимущество биоПАВ над химическими сурфактантами – их биодеградируемость, совместимость с микроорганизмами, которые продуцируют их, возможность образовываться in situ.
РХТУ АЕК Вариант технологии «сурфактант усиленной ремедиации» для очистки от органического загрязнения с плотностью выше плотности воды. песок и гравий сурфактант инжекционная скважина экстракционная скважина сурфактант и загрязнение поверхность уровень воды остаточное загрязнение загрязнение обводненный горизонт с линзами глины глина сурфактант загрязнение, мобилизованное сурфактантом
РХТУ АЕК Восстановление, биовосстановление – обезвреживание загрязняющего вещества в результате протекания химической реакции восстановления, например, под действием водорода. Метод особенно эффективен при обезвреживании хлорорганических соединений с высокой степенью хлорирования. При биовосстановлении в почву или подпочвенные горизонты вводятся вещества, например, полилактатные эфиры, которые медленно гидролизуются (в течение месяцев) с образованием молочной кислоты и затем ферментируются почвенной микрофлорой с образованием водорода. Пример – трансформация перхлорэтилена. Перхлорэтилен Трихлорэтилен Дихлорэтилен Винилхлорид ( тетрахлорэтилен) анаэробно аэробно аэробно минерализация восстановление окисление
РХТУ АЕК Реакционно активные барьеры ( проницаемые реактивные барьеры, искусственные биогеохимические барьеры, биоэкраны ) – системы защиты, обезвреживания загрязнений, сооружаемые на пути миграции основной массы загрязнений. Барьеры: - сорбционные, - восстановительные, - механические, - гидрохимические и т.п. В качестве материала барьеров могут быть использованы торф, глина, суглинки, активные угли, карбонатные отходы, цеолиты, кальцит, железные опилки, ил и т.д.
РХТУ АЕК Проницаемый реактивный барьер – зона активной обработки методом in situ с реакционным материалом, который разлагает, сорбирует, осаждает или удаляет загрязнения по мере того, как они переносятся грунтовой водой через него. Эти барьеры могут содержать реагенты для деградации летучей органики, хелаторы для иммобилизации металлов, питательные вещества и кислород для микроорганизмов с целью интенсификации биологических процессов деструкции или другие агенты. Проницаемый реактивный барьер обычно располагается и конструируется путем изъятия грунта или его замещения. Этот метод ограничен глубиной до 8 м, поскольку при больших глубинах требуются слишком большие затраты на выемку грунта. Две главные проницаемые конструкции: - « воронка и ворота », « непрерывная реактивная стена ». Проницаемость сконструированной системы должна быть по крайней мере в 2 раза выше, чем проницаемость обводненного горизонта. В зависимости от типичной скорости течения грунтовых вод, время задержки грунтовых вод в обрабатывающей среде толщиной 0,3 м составляет от нескольких часов до 1-2 сут.
РХТУ АЕК Основные конструкции проницаемых реактивных барьеров: А – «непрерывная реактивная стена»; Б – «воронка и ворота» течение грунтовых вод реактивный барьер реактивный барьер (ворота) водонепроницаемый барьер А Б
РХТУ АЕК Проницаемый реактивный барьер крышка глиняный замок мониторинговая скважина мониторинговая скважина поверхность земли уровень грунтовых вод обводненный горизонт водоупорный слой активный материал слой гравия стык слой покрытия течение грунтовых вод элемент стены U- образный элемент основания
РХТУ АЕК При миграции органических загрязнений, в частности, хлорорганических растворителей, барьер может быть изготовлен на основе пористой, хорошо дренируемой и аэрируемой среды с железными опилками, на поверхности которых развиваются железобактерии. Образующиеся ионы Fe 3+ окисляют органические загрязнения в грунтовых водах, движущихся через барьер. Тяжелые металлы на барьере могут быть осаждены в виде карбонатов, сульфидов, фосфатов или гидроксидов. Для этого в почву добавляют известь, гипс, фосфаты, синтетические смолы, глины, такие как бентонит, летучую золу, цеолиты, органическое вещество, материалы растительного происхождения, модифицированные алюмосиликаты и гидроксиды Fe, Al, Mn. Недостатки активных барьеров : часто подходят только для одного класса загрязнений, большие затраты на мониторинг концентраций загрязнений.
РХТУ АЕК Схема реакционно активного барьера на основе железа мониторинговая скважина поверхность земли уровень грунтовых вод течение грунтовых вод суглинок суглинок засыпной грунт крупный гравий заполнение железом дренаж с дренажной трубой геотекстиль
РХТУ АЕК Искусственный биогеохимический барьер Такой искусственный биогеохимический барьер может быть сооружен вблизи свалок, иловых площадок, районов локального загрязнения радионуклидами и т.п. и предотвращает миграцию тяжелых металлов и радионуклидов.
РХТУ АЕК Биоэкран может быть создан, например, путем аэрирования некоторого участка почвы в направлении, перпендикулярном движению грунтовых вод. При достижении этого участка загрязнением, оно может быть биологически разложено или десорбировано потоком воздуха. Для создания такого участка роют, например, вертикальную траншею, в которой монтируется система аэрирования и загружается пористый и хорошо проницаемый материал. Таким образом создается in situ биореактор. Условия окружающей среды (pH, концентрация растворенного кислорода) в таком биореакторе могут контролироваться и регулироваться с тем, чтобы оптимизировать процесс биообработки и избежать забивания пористого материала из-за бактериального роста или геохимических процессов (например, вследствие отложения оксидов железа).
РХТУ АЕК Обработка загрязненного материала в кучах, буртах, насыпях – биоремедиация методами on site и ex situ ( off site ). Загрязненный материал складируют рядом с зоной загрязнения (landfarming) в виде куч (biopiles), буртов, насыпей (biomounds) или транспортируют на полигоны или специальные площадки. Затем его обрабатывают при обеспечении благоприятных условий для протекания биологических процессов с целью биовыщелачивания, биодеструкции или перевода загрязнения в неподвижную форму. После этого обезвреженную почву возвращают на место. При очистке в бионасыпях в загрязненную почву добавляют материал-структуратор (навоз КРС, древесная щепа, опилки) для удержания влаги, хорошей аэрации, обеспечения микроорганизмов кислородом, легко доступными источниками азота, фосфора и микроэлементами. Для аэрации используются простые системы, которые обычно включают решетки, иногда с множественными слоями горизонтальных труб, составленных из гибких или перфорированных дренажных керамических труб, наряду с вертикальными трубами (стояками) из ПВХ. Бионасыпи генерируют тепло в результате биологической активности, и обычно стараются удерживать это тепло, наряду с влагой, путем покрытия насыпей пластиковой пленкой.
РХТУ АЕК Обработка загрязненного материала в буртах Конструкции и исполнение таких систем обработки относительно просты, время обработки обычно невелико (от 6 мес. до 2-х лет), обработка эффективна для органических загрязнений с медленными скоростями биодеградации. Однако они требуют больших площадей земли, систем очистки воздуха при наличии в материале летучих загрязнений и в результате образования пыли и паров в ходе аэрации, изоляции дна в случае выщелачивания загрязнений.
РХТУ АЕК При биорыхлении на загрязненный участок вносятся роющие организмы, как правило дождевые черви (расы, выдерживающие присутствующие загрязнения). В ходе миграции червей в почве создаются аэрационные каналы, которые способствуют биоремедиации. При компостировании загрязненный материал смешивают с органическим материалом и компостируют в кучах или биореакторах (по методам on site и ex situ ). В отличие от метода обработки в бионасыпях или кучах при компостировании почву вместе с добавленным материалом периодически рыхлят в течение обработки. В технологии вермикомпостирования предусматривается использование дождевых червей при обработке смеси загрязненного материала с органическим субстратом.
РХТУ АЕК Биореакторы могут быть оборудованы системой удаления отработанного воздуха, трубопроводами для подвода кислорода (или воздуха), питательных веществ и системами контроля pH и температуры. Биоочистку в биореакторах можно комбинировать с физическими методами, такими как экстракция паром для удаления летучих соединений или адсорбция на угле, а также с химическими методами (озонирование и др.) для удаления токсичных компонентов или металлов. В биореакторах можно достичь наиболее высоких скоростей деструкции, создавая оптимальные условия. Однако это обеспечивается ценой более высоких затрат. Биореакторы – для очистки загрязненных почв, грунтов, других материалов. Биореакторы: - с фиксированным слоем (fixed-bed bioreactor, твердофазный биореактор ) - суспензионный с перемешиванием (slurry bioreactor, шламовый биореактор ). Для биологической очистки загрязненной почвы преимущественно используются суспензионные реакторы. Концентрация почвы в суспензионных реакторах с перемешиванием может составлять до 30%. Их преимущества над твердофазными реакторами – более легкое управление и лучший контроль процесса. Однако суспензионные реакторы требуют более сложных аппаратов и потребляют больше энергии.
РХТУ АЕК Обработка почвы с использованием шламового биореактора загрязненная почва сортировка мусор камни почва измель читель субстрат Минераль-ное питание микроорга низмы кислород биореактор чистая почва повторное использо- вание почвы
РХТУ АЕК Анаэробный суспензионный реактор для обработки почвы, загрязненной тринитротолуолом
РХТУ АЕК контаминиро ванный буровой шлам технологическая вода технологическая вода суспензия тонкая фракция чистая грубая фракция отработанный воздух сжатый воздух избыточная влага деконтаминированный обезвоженный шлам Обработка бурового шлама в схеме с биореактором: 1 – миксер; 2 – просеивающая машина; 3 – емкость-питатель; 4 – аэрлифтный биореактор; 5 – обезвоживание.
РХТУ АЕК Схема последовательного процесса обработки почвы, загрязненной углеводородами с использованием суспензионного биореактора суспензия почвы с частицами нефти размером <0,5 мм суспензионный биореактор объемом 5 м 3 технологическая вода седиментация очищенная тонкая фракция почвы утилизация загрязненная почва фракция гравия >0,5 мм сепара-ционное устрой-ство предобработка с отделением влаги 6 м 3 отмытые частицы почвы
РХТУ АЕК 1. Характеристика места загрязнения, его агротехнического состояния. Проведение гидрогеологической разведки. Определение зоны загрязнения и концентраций поллютанта в почве. Категорирование зон по уровню загрязненности. Санитарно-гигиенические исследования. Целесообразно использовать геологическую карту, карту почв, карту грунтовых вод. Однако масштаб карт обычно слишком велик для локализации загрязненных участков. Характер распространения и отложения загрязнения, гидрогеологической и гидрогеохимической обстановки может быть уточнен с помощью буровых скважин. По результатам обследования наблюдательных скважин или колодцев, определения градиентов концентраций загрязнения, глубины грунтовых вод в разных скважинах, находят локальное направление движения грунтовых вод. Иногда используют дополнительные геофизические средства или прокачку и нагнетание вод для получения сведений о структуре глубинных слоев. На данном этапе необходимо провести санитарно-гигиенические исследования и изучить видовой состав аборигенной популяции бактерий для того, чтобы гарантировать, что почва не содержит растительных, животных и человеческих патогенов. Этапы проведения биоремедиационных работ
РХТУ АЕК 4. Установка и монтаж системы очистки (трубопроводов, фильтров, насосов, клапанов, оборудования для очистки воды и воздуха), подготовительные агротехнические мероприятия. Подготовка и накопление биологического агента. а) Лабораторные исследования ( b ench scale); используемые объемы образцов из места загрязнения – 5-10 кг (5-10 л). Комиссионная оценка предлагаемых решений. б) Пилотные исследования ( p ilot scale); используемые объемы образцов из места загрязнения – 50-100 кг (50-100 л) или более. в) Маломасштабные полевые испытания. 2. Выбор метода и технологии ремедиации. 3. Изучение осуществимости полномасштабного проекта и разработка его схемы. С учетом результатов и опыта, полученных при выполнении второго этапа, проводится разработка полномасштабной технологии биоремедиации места загрязнения.
РХТУ АЕК 6. Депонирование осадков, отходов, демонтаж установки. По мере проведения ремедиации осуществляется мониторинг загрязнений с целью определения степени достижения конечных целей очистки и отслеживания процесса очистки. Основными отслеживаемыми параметрами являются концентрация загрязнений в почве, грунтовых водах и почвенных газах и миграционные потоки загрязнений. Для измерения их величин используются наблюдательные колодцы или скважины или производятся необходимые замеры в извлекаемых в ходе очистки водах или газах. Одновременно отслеживаются : - концентрация кислорода в грунтовых водах и почвенных газах; - содержание минеральных компонентов питания для микроорганизмов; - скорость биологической деградации, которую можно вычислить, например, по изменению содержания кислорода или CO 2 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; - эксплуатационный пробег оборудования. 5. Проведение ремедиационных работ.
РХТУ АЕК Вся цепь мероприятий может быть завершена в течение 2-5 лет и более. Рекультивация – комплекс мероприятий, направленных на восстановление продуктивности и ценности нарушенных земель. Она может включать: - пробный посев культур для оценки остаточной фитотоксичности почв, интенсификации процессов биодеградации, улучшения агрофизических свойств почвы; - мелиоративные мероприятия, обеспечивающие улучшение водно-воздушного, теплового и кислотно-щелочного режима почв: глубинная вспашка, дренирование, рассоление, землевание (покрытие слоем почвы), пескование, известкование, гипсование, внесение структураторов (торф, опилки, древесная кора, солома, зерновая шелуха, вермикулит, перлит), органических и минеральных удобрений, 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.; - подбор и посев многолетних растений, устойчивых к загрязнениям, восстановление естественных растительных биоценозов или создание культурных фитоценозов ; - ландшафтовосстанавливающие мероприятия : использование габионов, биоматов, гео- и биотекстиля, экстремального озеленения и т.п. - внесение в почву препарата эндомикоризных грибов, повышающих устойчивость растений к стрессам; - другие агротехнические и биотехнологические приемы, способствующие максимальному задернению нарушенных территорий. 7. Рекультивационные работы. Ландшафтовосстанавливающие мероприятия. Фитомелиорация.
