Ремедиация почв и грунтов

в частности почв, грунтов, донных осадков, называется ремедиацией.
Направление исследований

и разработок, связанных с использованием биотехнологий для очистки природных сред, получило название биоремедиации.

представить в виде схемы
Технологии очистки нацелены на контролирование и

использование всех этих превращений для удаления и обезвреживания загрязнений

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.

и нефтепродукты, бензол, толуол и др.

фреатической зонах.
Примеры: галогенированные соединения (трихлорэтилен, пентахлорэтилен, четыреххлористый углерод, полихлорированные бифенилы,

полиароматические углеводороды.

содержание полютанта в среде ниже порога токсичности.

месту обработки почвы или другого загрязненного материала принято различать методы:
ремедиация

на месте без изъятия и перемещения почвенного пласта (in situ);
ремедиация on site подразумевает изъятие загрязненного материала и обработку его рядом с местом загрязнения ;
ремедиация ex situ включает экскавацию загрязненной почвы, вывоз ее на полигоны или специальные площадки и очистку

методы on site, ex situ (off site), in situ.
Варианты

очистки загрязненной среды по месту обработки.

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 м3 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.

и захоронение
Фиксирование и стабилизация
Фракционирование
Извлечение загрязнений
Термообработка
Деструктивная очистка

мелиорантов, адсорбентов, химических реагентов.
Концентрационные методы (вакуумная экстракция, промывка с

последующей дезактивацией химическими реагентами и др.)
Термообработка
Создание барьеров
Методы разложения контаминанта.

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;
- 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 Природное истощение и внутрення биоремедиация;

бактерий
- с использованием грибов
- с использованием растений (фиторемедиация)
- с использованием

водорослей
- с использованием высших животных (вермикультура, личинки мух)
- 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).

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.

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 (H2O2 + Fe2+) и др.

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.

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.

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.

вод

вод

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.

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.

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.

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).

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

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.

загрязнения с плотностью выше плотности воды.

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.

восстановление окисление

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.

Б – «воронка и ворота»
А Б

может быть изготовлен на основе пористой, хорошо дренируемой и аэрируемой

среды с железными опилками, на поверхности которых развиваются железобактерии. Образующиеся ионы Fe3+ 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, 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.

сооружен вблизи свалок, иловых площадок, районов локального загрязнения радионуклидами и

т.п. и предотвращает миграцию тяжелых металлов и радионуклидов.

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).

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.

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.

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.

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.

суспензионного биореактора

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

клапанов, оборудования для очистки воды и воздуха), подготовительные агротехнические мероприятия.

Подготовка и накопление биологического агента.

а) Лабораторные исследования (bench scale); используемые объемы образцов из места загрязнения – 5-10 кг (5-10 л). Комиссионная оценка предлагаемых решений.

б) Пилотные исследования (pilot 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.

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 CO2 в воде и газах;
- уровень грунтовых вод и направление их движения;
- давление и скорость течения в нагнетательных и приемных коллекторах и фильтрах воды и газов;
- эксплуатационный пробег оборудования.

5. Проведение ремедиационных работ.

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 впашка, 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 загрязнителям, 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.