Биохимическая технология и оборудование для реабилитации загрязненных грунтов городских территорий

Под влиянием промышленных и строительных загрязнений изменяются свойства почвы и почвообразовательные процессы, потенциальное плодородие и т.д. Загрязнения попадают в почву из воздушного бассейна путем хемосорбции токсичных выбросов промышленных предприятий, путем миграции подвижных токсичных соединений с потоками поверхностной промышленной ливневой канализации, при ее переполнении или неисправности, путем диффузии загрязнителей всех видов в грунте при ненадлежащем обращении с твердыми отходами производства потребления. Под влиянием промышленных и строительных загрязнений изменяются свойства почвы и почвообразовательные процессы, потенциальное плодородие и т.д. Загрязнения попадают в почву из воздушного бассейна путем хемосорбции токсичных выбросов промышленных предприятий, путем миграции подвижных токсичных соединений с потоками поверхностной промышленной ливневой канализации, при ее переполнении или неисправности, путем диффузии загрязнителей всех видов в грунте при ненадлежащем обращении с твердыми отходами производства потребления. Загрязнение почв тяжелыми металлами из атмосферы представляет наибольшую опасность, так как в этом случае металлы выступают в виде окислов или солей, обладающих наибольшей миграционной активностью. Попадая в почву, эти соединения адсорбируются почвенными коллоидами и депонируются преимущественно в гумусированном биологически активном слое. Если загрязнение носит пролонгированный характер, наблюдается существенная аккумуляция их в почве, которая может сделать ее токсичной для растений и животных. В таких условиях со временем подавляется деятельность полезной микрофлоры, происходит деградация почвенного плодородия. В случае подобного загрязнения естественных ландшафтов в их биоценозах происходит естественных отбор наиболее устойчивых резистентных форм организмов, при этом неизбежно видовое обеднение ценоз.

В почвах тяжелые металлы могут содержаться в водорастворимой, ионообменной и непрочно адсорбированной формах. Водорастворимые формы, как правило, представлены хлоридами, нитратами, сульфатами и органическими комплексными соединениями. Кроме того, ионы тяжелых металлов могут быть связаны с минералами как часть кристаллической решетки. Загрязнителем почв может быть любой физический агент, химическое вещество и биологический вид, попадающие в окружающую среду или возникающие в ней в количествах, выходящих в рамки своей обычной концентрации, предельных количествах, предельных естественных колебаний или среднего природного фона в рассматриваемое время. Основным показателем, характеризующим воздействие загрязняющих веществ на окружающую природную среду, являются предельно допустимая концентрация (ПДК). С позиции экологии предельно допустимые концентрации конкретного вещества представляют собой верхние пределы лимитирующих факторов среды (в частности, химических соединений), при которых их содержание не выходит за допустимые границы экологической ниши человека. Главными источниками загрязнения городских территорий являются:

1) Жилые дома и бытовые предприятия. В числе загрязняющих веществ преобладает бытовой мусор, пищевые отходы, фекалии, строительный мусор, отходы отопительных систем, пришедшие в негодность предметы домашнего обихода; мусор общественный учреждений – больниц, столовых, гостиниц, магазинов и др. Вместе с фекалиями в почву нередко попадают болезнетворные бактерии, яйца гельминтов и другие вредные организмы, которые через продукты питания попадают в организм человека. В фекальных остатках могут содержаться такие представители патогенной микрофлоры, как возбудители тифа, дизентерии, туберкулеза, полиомиелита и др. Быстрота гибели в почве разных микроорганизмов неодинакова. Некоторые болезнетворные бактерии могут длительное время сохраняться и даже размножаться в почве и грунте. К ним относятся возбудители столбняка (до 120 лет), газовой гангрены, сибирской язвы, ботулизма и некоторые другие микробы. Почва является одним из важных факторов передачи яиц гельминтов, определяя тем самым возможность распространения ряда гельминтозов.

2) Промышленные предприятия. В твердых и жидких промышленных отходах постоянно присутствуют те или иные вещества, способные оказывать токсическое воздействие на живые организмы и их сообщества. Например, в отходах металлургической промышленности обычно присутствуют соли цветных и тяжелых металлов. Машиностроительная промышленность выводит в окружающую среду цианиды, соединения мышьяка, бериллия. При производстве пластмасс и искусственных волокон образуются отходы бензола и фенола. Отходами целлюлозно-бумажной промышленности, как правило, являются фенолы, метанол, скипидар, кубовые остатки.

3) Теплоэнергетика. Помимо образования массы шлаков при сжигании мазута и каменного угля с теплоэнергетикой связано выделение в атмосферу сажи, несгоревших частиц, оксидов серы, в конце концов оказывающихся в почве.

4) Транспорт. При работе двигателей внутреннего сгорания интенсивно выделяются оксиды азота, углеводороды и другие вещества, оседающие на поверхности почвы или поглощаемые растениями. Автотранспорт в Москве выбрасывает ежегодно около 130 кг загрязняющих веществ в расчете на человека. Почву загрязняют нефтепродуктами при заправке машин на полях и в лесах, на лесосеках и т.д. В почвах накапливаются соединения металлов, например, железа, ртути, свинца, меди и др.

Оценка уровня химического и биологического загрязнения почв и грунтов, выявление участков загрязнения, требующих проведения санации с целью предотвращения опасного воздействия загрязняющих химических веществ, а также санитарно-показательных и патогенных микроорганизмов и возбудителей паразитарных заболеваний (гельминтов) на здоровье населения и объекты окружающей природной среды выполняются в соответствии с требованиями СанПиН 2.1.7.1287-03 «Санитарно-эпидемиологические требования к качеству почвы». Для эколого-геохимической оценки состояния почв и грунтов рассматриваемой территории в отобранных пробах проводят определение содержания тяжелых металлов, мышьяка, 3,4-бенз(а)пирена, нефтепродуктов и величины рН. После получения результатов химических исследований проводят сопоставление содержания тяжелых металлов и мышьяка с величинами их ОДК (ПДК) для суглинистых почв с рН > 5,5, 5,5 > рН и с величинами их ОДК (ПДК) для песчаных и супесчаных почв. Уровень загрязнения почв тяжелыми металлами и мышьяком оценивается в соответствии с требованиями ГОСТ 17.4.3.06-86 «Охрана природы. Почвы. Общие требования к классификации почв по влиянию на них химических загрязняющих веществ», ГН 2.1.7.2041-06 «Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в почве» и ГН 2.1.7.2042-06 «Ориентировочно допустимые концентрации (ОДК) химических веществ в почве», утвержденные Главным государственным санитарным врачом Российской Федерации 19 января 1996 года.

Оценка уровня химического загрязнения почв и грунтов как индикатора неблагоприятного воздействия на здоровье населения проводится по показателям, разработанным при сопряженных геохимических и гигиенических исследованиях окружающей среды городов с действующими источниками загрязнения.

Значение ПДК нефтепродуктов в почве в настоящее время не установлено. В соответствии с Приложением № 8 к Методике исчисления размера ущерба, вызываемого захламлением, загрязнением и деградацией земель на территории Москвы, утвержденной распоряжением мэра Москвы от 27 июля 1999 г. № 801-РМ, допустимым является содержание нефтепродуктов в почве, не превышающее 300 мг/кг.

Для полной характеристики санитарно-эпидемиологического состояния рассматриваемой территории необходимо определение уровня биологического загрязнения по санитарно-бактериологическим и санитарно-паразитологическим показателям. В крупных городах с высокой плотностью населения биологическая нагрузка на почву пригородных зон очень высока и, как следствие, высокими являются индексы санитарно-показательных микроорганизмов (10 клеток/г почвы). Химическое и биологическое загрязнение почв способствуют уменьшению их биологической активности, в т.ч плодородия, и снижению интенсивности процессов самоочищения почвы.

Отношение микроорганизмов к тяжелым металлам изучается давно (Gadd, 1978; Duxbury, 1985; Левин, Гузев, 1989; Марфенина, 1991). Соли тяжелых металлов (цинка и кадмия) в концентрациях от 0,2÷0,5 до 3÷8 ПДК изменяют биохимическую и физиологическую активности микроорганизмов, однако при этом наблюдается нелинейное распределение: с увеличением содержания в почве солей тяжелых металлов эффект меняется от стимуляции к ингибированию ферментативной активности.

Токсическое действие тяжелых металлов по отношению к микроорганизмам проявляется в нарушении функций отдельных структур клетки и протекании в ней метаболических процессов. В частности, изменяется избирательность в поглощении химических элементов и проницаемость клеточной мембраны, происходит блокирование ионами металлов сульфгидрильных групп белков и аминокислот и активных центров металлсодержащих ферментов. Повышенная чувствительность почвенных микроорганизмов к тяжелым металлам, а также широкое участие в поддержании естественного статуса почвы через осуществление важных процессов, связанных, например, с превращениями органического углерода и азота, делает их перспективным объектом изучения для нормирования техногенных нагрузок.

Мощными катализаторами биологической активности почвы и биохимических процессов, протекающих в ней, являются гуминовые препараты. Гуминовые препараты в виде гуматов натрия, калия, аммония относятся к органоминеральным удобрениям и разрешены к применению, начиная с 1984 года. В сочетании с имеющимися объемами органических и минеральных удобрений гуматы способны восстановить плодородие деградировавших земель.

Гуминовые вещества представляют собой полифункциональные природные соединения, для строения которых характерно наличие замещенного ароматического каркаса и периферических углеводных и пептидных фрагментов. В силу дифильности строения гуминовые препараты могут связывать как ионы металлов, так и органические экотоксиканты, снижая их токсичность.

Действие гуминовых препаратов в почве не ограничивается влиянием на микроорганизмы, отвечающих за накопление гумуса. Их внесение в почву значительно интенсифицирует деятельность разных групп микроорганизмов, с которыми тесно связана мобилизация питательных веществ в почве и превращение потенциального плодородия в эффективное. В последнее время гуминовые вещества широко применяют в процессах детоксикации почв и воды, загрязненных тяжелыми металлами, радионуклидами, а также при биорекультивации различных хлор- и фосфорорганических загрязнений. Также гуматы можно применять в качестве добавок для повышения эффективности очистки почвы от нефтяных загрязнений. Они связывают в комплексы токсические соединения, увеличивают их доступность к биодеградации микроорганизмами. Практическое использование гуминовых веществ в современных рекультивационных технологиях доступно, так как их сырьевые запасы огромны. Гуминовые вещества могут быть представлены гуматом Na/K (Иркутск, ИГ), гуминовыми и гиматомилановой кислотами, выделенными из ИГ, гуматом калия (Powhumus) и полученными из него гуматом железа. Доказано, что гуминовые вещества на 10-30% увеличивают эффективность биологической активности нефтезагрязненной почвы.

Внесение гуминовых препаратов улучшает физические и физико-химические свойства почвы, ее воздушный, водный и тепловой режим. Гуминовые кислоты вместе с минеральными и органоминеральными частицами почвы образуют почвенный поглощающий комплекс, обусловливающий ее поглотительную способность и связывание подвижных форм тяжелых металлов, что одновременно увеличивает активность углеродокисляющих бактерий.

Разработка ГБУ «Промотходы» и Университета машиностроения базируется на успешном многолетнем опыте научных исследований, разработки и промышленного внедрения подобных технологий для биохимической реабилитации загрязненных грунтов территорий города. В основе разработанной технологии реабилитации загрязненных грунтов урбанизированных территорий без их замены свежим грунтом, лежит создание комплексного бинарного препарата в виде раствора гумино-минерального концентрата и микробиологического препарата, содержащего штаммы углеводородокисляющей микрофлоры. После разрыхления грунтов, препарат вносится поверхностным распылением. Как показали предварительные исследования более, чем на 40га территорий в Москве и Московской области, комплексный препарат обладает синергетическим действием: раствор гумино-минерального концентрата (ГМК) связывает тяжелые металлы, оказывающие стресс угнетающее действие на штаммы углеводородокисляющей микрофлоры, в результате разрушение нефтезагрязнений бактериями интенсифицируется, что приводит к повышению скоростей реакций фульво-кислот ГМК с ионами тяжелых металлов

Экспериментально установлено, что при проведении процессов реагентной и биологической очистки загрязненных грунтов, которое обеспечивается комплексным бинарным препаратом, возникает синергетический эффект, вызывающий значительно более интенсивное снижение концентраций загрязняющих компонентов, чем при раздельной обработке составляющими препарата, достигающее следующих значений: по Zn – в 25,7 раза, Pb – в 15 раз, Cu – в 14,6 раза, Mn – в 3,9 раза, Cr3+ – в 32 раза, Ni – в 13 раз, Cd – в 4,9 раза, Fe – в 4,4 раза и по нефтепродуктам – в 7,2 раза.

Результаты разработки технологии и оборудования защищены патентом РФ.

В настоящее время разработана, изготовлена и апробирована опытно-промышленная мобильная установка, реализующая созданную технологию.