CC BY
147
© Желтобрюхов В.Ф., Осипов В.М., Колодницкая Н.В., Стяжин В.Н., Карпов А.В., 2013
УДК 504.062 ББК 20.1
РАЗРАБОТКА И РЕАЛИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИИ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ РЕМЕДИАЦИИ НЕФТЕЗАГРЯЗНЕННЫХ ЗЕМЕЛЬ
Желтобрюхов Владимир Федорович
Доктор технических наук, профессор,
заведующий кафедрой промышленной экологии и безопасности жизнедеятельности
Волгоградского государственного технического университета
Z_Vi_f@mail.ru
Проспект Ленина, 28, 400005 г. Волгоград, Российская Федерация
Осипов Василий Михайлович
Доктор технических наук, заместитель главного инженера по экологической и технической безопасности МКП «ДРСУ №9 1» osipovvm@mail. т
ул. Джаныбековская, 26, 400012 г. Волгоград, Российская Федерация
Колодницкая Наталья Владимировна
Кандидат технических наук, начальник отдела
научных исследований ВРОНО «Экологическая академия»
knv-volg@mail.ru
ул. Ленина, 15, 400066 г. Волгоград, Российская Федерация
Стяжин Владимир Николаевич
Кандидат технических наук, доцент кафедры прикладной математики Волгоградского государственного технического университета vstyazhin@yandex. т
Проспект Ленина, 28, 400005 г. Волгоград, Российская Федерация
Карпов Андрей Викторович
Начальник отдела экологии ООО «ЛУКОЙЛ-Волгограднефтепереработка» knv-volg@mail.ru
ул. 40 лет ВЛКСМ, 55, 400029 г. Волгоград, Российская Федерация
Аннотация. Статья посвящена разработанной и реализованной на практике технологии экологической ремедиации земель, загрязненных нефтепродуктами. Технология является двухстадийной и включает биоремедиационный этап и фитореме-диационный. Полученные результаты по восстановлению техногенно-нарушенных земель были математически обработаны с помощью регрессионного и корреляционного анализов. Технология, базированная на применении препарата на основе вермикулита и сахарного сорго, рекомендована для внедрения при рекультивации нарушенных земель.
Ключевые слова: нефтезагрязненная земля, биопрепарат, биогеохимический барьер, восстановление почвы, тест-культура, регрессионный, корреляционный анализы, технология.
Технология экологической ремедиации неф-тезагрязненных земель состоит из двух этапов:
- биоремедиация техногенно-нарушенных
земель;
- фиторемедиация техногенно-нарушенных земель.
Этап биоремедиации земель, нарушенных деятельностью нефтеперерабатывающего завода, призван осуществить детоксикацию земель и улучшение физико-химических свойств почв.
Этап биоремедиации нефтезагрязненных земель заключается в разработке препаратов на основе природных минералов, применяемых для рекультивации нарушенных земель [1; 8; 9].
Разработано два препарата для ремедиации нефтезагрязненных земель, отличающихся друг от друга основным компонентом: в одном присутствует вермикулит, а в другом -перлит. Все остальные составляющие препарата одинаковые [5].
1. Препарат содержит вермикулит - 7595 мас. %, сапропель - 3,0-11,78 мас. %, воду -
3.2-11,36 мас. %, мочевину - 0,1-0,5 мас. %, янтарную кислоту - 0,01-0,05 мас. %.
2. Препарат содержит перлит - 7595 мас. %, сапропель - 3,0-11,78 мас. %, воду -
3.2-11,36 мас. %, мочевину - 0,1-0,5 мас. %, янтарную кислоту - 0,01-0,05 мас. %.
Компоненты, используемые в препаратах, имеют отличающиеся друг от друга физико-химические, экологические свойства и свое предназначение в природе.
Этап фиторемедиации нефтезагрязнен-ных земель способен произвести деградацию остаточного количества углеводородов нефти в процессе механизмов фитодеградации и ри-зодеградации. Растения усиливают работу микроорганизмов за счет биологически активных корневых выделений, таким образом, микрофлора почвы будет активизироваться и концентрироваться возле корневой системы
сахарного сорго, что позволит повысить плодородие почв [2; 6; 7; 13].
Один из видов сорго, наиболее засухоустойчивой культуры в мире, - сорго сахарное (Sorghum saccharatum) характеризуется тем, что в отличие от зернового и веничного сорго, в соке его стебля содержится более 10-20 % сахаров. В природе не существует другого растения, которое могло бы так быстро синтезировать сахарозу. Поскольку оно может возделываться в южных засушливых районах, где сахарную свеклу выращивать либо невыгодно, либо невозможно, интерес к сахарному сорго бесспорен.
Рекультивация земель, загрязненных нефтепродуктами, территории размещения полигона твердых промышленных отходов осуществлялась по методу in situ (на месте), содержание нефтепродуктов в которых соответствует 2-му уровню загрязнения земель (низкий), но превышает предельно допустимую концентрацию (далее - ПДК) вещества в почве [8; 12].
В таблицах 1 и 2 представлены результаты физико-химических анализов проб почвы контрольной зоны и территории размещения полигона твердых промышленных отходов в течение проводимых исследований.
Для оценки эффективности биоремедиа-ционного этапа технологии экологической ремедиации техногенно-нарушенных земель применялся метод биотестирования [4]. В качестве тест-культуры использовано сахарное сорго (Sorghum saccharatum).
В случае фиторемедиации, когда в качестве растения для очистки почвы использовалось сахарное сорго (Sorghum saccharatum) [3; 10; 11], по результатам проведенных измерений и после регрессионного анализа в качестве функции, аппроксимирующей зависимость высоты стебля от времени, мы выбрали степенную функцию 1 вида:
H(t) = a ■ tb (1)
Таблица 1
Результаты физико-химического анализа проб почвы контрольной зоны
Сутки pH * Влажность, % * Концентрация нефтепродуктов в почве, мг/кг *
0 8,6 1,1 208,3
1 - - 187
24 8,2 1,1 189
Примечание. * - усредненные значения.
Таблица 2
Результаты процесса биоремедиации земель, загрязненных нефтепродуктами, территории размещения полигона твердых промышленных отходов
Препарат Сутки Концентрация нефтепродуктов в почве, мг/кг * pH * Влажность, % *
на основе вермикулита 0 1 559,3 8,3 1,06
1 802
6 496
12 172,6
18 68,6
24 57,3 8,1 1,03
на основе перлита 0 1 559,3 8,3 1,06
1 880
6 498,3
12 252
18 129,3
24 106,3 8,19 1,04
Примечания. * - усредненные значения
Предложенная функция адекватно описывает как зависимость высоты стебля от времени, так и сам процесс фиторемедиации. Если найти производную функции (2) по времени, то получим скорость роста сахарного сорго:
H't(t) = а ■ b ■ tb~l, H't(t) = а ■ b ■ tb~l,
Ht(t)=.
(2)
Подставив в формулу (2) выражение (1) для Н(^), получим формулу для нахождения скорости роста стебля сахарного сорго на почвах, загрязненных нефтепродуктами, территории размещения полигона ТПО:
H't(t) = Ь • H(t).
(3)
Выражение Ь ■ t~ , стоящее в правой части формулы (3) перед Н(1), имеет конкретный физический смысл - поглощающая способность. Действительно, с увеличением времени происходит насыщение растения питательными веществами, и поглощающая способность падает.
Кроме того, выбор обусловлен и тем, что коэффициент корреляции К>0,96. Как и в опыте биоремедиации, коэффициенты а и Ь были най-
дены в Mathcad. В следующей таблице представлены полученные коэффициенты.
Далее представлен график данных измерений и аппроксимирующих функций территории размещения полигона ТПО, где применялись препараты (на основе вермикулита, перлита).
Препарат на основе вермикулита:
H(t) = 0,2 ■ Л24. (4)
Препарат на основе перлита: H (t) = 2,5 -10 ~3 • t4Д.
(5)
Проанализировав представленные данные, можно сделать вывод, что коэффициент b>1 характеризует постоянный рост (увеличение ежедневного прироста) культуры.
Сахарное сорго (Sorghum saccharatum), выбранная нами тест-культура, действительно, подтвердила эффективность применения препарата на основе вермикулита для биоремедиации нефтезагрязненных земель. Свидетельством этого являются данные таблицы 3, из которых следует, что высота стебля достигла максимального значения 8,73 см на участке с применением препарата на основе вермикулита. На рисунке 1 виден реальный рост сахарного сорго, а не угнетение культуры. Коэффициент корреляции экспериментальных данных и результатов их теоретического анализа равен 0,97 -
го и всей культуры в целом позволили уменьшить концентрацию нефтепродуктов в почве до значений, представленных в таблице 5.
Табличные данные свидетельствуют об эффективности фиторемедиационного этапа технологии экологической ремедиации нефте-загрязненных земель территории размещения полигона ТПО.
Таблица 3
Усредненные значения физиологических показателей исследуемой культуры
Физиологические показатели сахарного сорго (Sorghum saccharatum) Сутки Контрольная зона Территория размещения полигона ТПО
применение препарата на основе вермикулита применение препарата на основе перлита
Высота стебля, см 1 0,23 0,5 0,3
5 1,1 2,1 0,5
10 1,73 3,6 1,7
15 3,73 4,5 1,46
20 5,7 8,73 7,0
Вегетационная биомасса, г 25 2,0 4 2,5
Длина корня, см 30 3,2 8,5 3,76
Таблица 4
Параметры регрессии для процесса фиторемедиации нефтезагрязненных земель
Препарат Территория а b R
Контроль 0,07 1,47 0,99
на основе вермикулита полигон ТПО 0,2 1,24 0,97
на основе перлита 2,5 • 10~5 4,2 0,96
10
р
10 15 20
/, сутки
Рис. 1. Данные измерений и аппроксимирующие функции процесса фиторемедиации нефтезагрязненных земель территории размещения полигона ТПО с внесенными препаратами на основе вермикулита - (□ и сплошная линия) и перлита - (Д и пунктирная линия)
значение характерное для участка с применением препарата на основе вермикулита. Вегетационная биомасса также превалирует на участке, где применялся ремедиант на основе вермикулита. Необходимо отметить, что длина корневой системы в 2,3 раза больше на территории с использованием препарата на основе вермикулита. Рост корневой системы сахарного сор-
Таблица 5
Результаты процесса фито- и ризодеградации остаточного количества углеводородов
нефти в почве сахарным сорго
Препарат Территория Концентрация нефтепродуктов в почве, мг/кг
Контроль 1S5,4
на основе вермикулита полигон ТПО 47
на основе перлита 92
Технология экологической ремедиации земель, загрязненных нефтепродуктами, позволила со 2-го (низкий) уровня загрязнения почв снизить концентрацию нефтепродуктов до 1-го (допустимый) уровня загрязнения, то есть проведена детоксикация техногенно-нарушенных земель.
Для рекультивации техногенно-нарушенных земель мы рекомендуем применять новую комплексную технологию экологической ремедиации с применением препарата на основе вермикулита и сахарного сорго (Sorghum saccharatum), так как:
- этап биоремедиации нарушенных земель основан на применении новых препаратов, в основу которых входят исключительно природные компоненты;
-этап фиторемедиации нарушенных земель заключается в применении сахарного сорго, выбор которого обусловлен способностью данной культуры благоприятно произрастать в условиях Волгоградской области (засухоустойчивость, соле-выносливость), а также его толерантность к произрастанию на нефтезагряз-ненных почвах.
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
1. Аммосова, Я. М. Нефтезагрязненные почвы / Я. М. Аммосова, Н. И. Суханова, С. Я. Трофимов // Агрохимический Вестник. - 1999. - №9 5. - С. 37-38.
2. Белоусов, B. C. Фитомелиорация деградирующих почв с помощью сорговых культур / B. C. Белоусов // Селекция, семеноводство, технология возделывания и переработки сорго : материалы междунар. науч.-практ. конф. - Зерноград : ВНИИСЗК, 1999. - С. 23-34.
3. Желтобрюхов, В. Ф. Создание искусственного биогеохимического барьера для защиты урбоэко-системы / В. Ф. Желтобрюхов, Н. В. Колодницкая, В. Н. Стяжин, Г. К. Лобачева, И. А. Полозова // Экологические системы и приборы. - 2012. - №9 6. - C. 28-35.
4. Желтобрюхов, В. Ф. Фитотоксичность субстрата на основе отходов промышленно-транспортной деятельности, как показатель его пригодности в инженерно-экологической системе / В. Ф. Желтобрюхов, Н. В. Колодницкая, В. М. Осипов, И. А. Полозова, Ю. Н. Картушина // Экологические системы и приборы. - 2013. - N° 1. - С. 42-48.
5. Желтобрюхов, В. Ф. Синтез препарата для обеспечения экологически безопасных условий / В. Ф. Желтобрюхов, Н. В. Колодницкая, В. М. Осипов // XIX Менделеевский съезд по общей и прикладной химии. - 2011. - С. 381.
6. Иларионов, С. А. Основные подходы в рекультивации земель, загрязненных нефтью / С. А. Ила-рионов // Перспективы развития естественных наук на Западном Урале : труды междунар. науч. конф. -Пермь : [б. и.], 1996. - Т. 2. - С. 98-99.
7. Иларионов, С. А. Самоочищение нефтезаг-рязненных почв и их рекультивация / С. А. Иларио-нов // Освоение Севера и проблемы рекультивации : докл. III междунар. конф. - Сыктывкар : [б. и.], 1997. - С. 333-336.
8. Колодницкая, Н. В. Использование экологически безопасного препарата для усиления мер по восстановлению загрязненных почв / Н. В. Ко-лодницкая // Вестник Воронежского государственного университета. Серия «География. Геоэкология». - 2011. - J№ 2. - С. 132-138.
9. Колодницкая, Н. В. Новая технология биологической очистки загрязненной почвы - усиленное биовосстановление на месте (in situ) препаратом на основе природного сорбента / Н. В. Колод-ницкая, Г. К. Лобачева // Труды Кубанского государственного аграрного университета. - 2010. -№6(27). - С. 190-194.
10. Лобачева, Г. К. Предотвращение загрязнения подземных вод путем создания искусственных био-геохимических барьеров / Г. К. Лобачева, Н. В. Колод-ницкая, В. И. Сметанин, И. Ж. Гучанова, В. Ф. Желтобрюхов, В. М. Осипов, А. И. Филиппова // Вестник Волгоградского государственного университета. Серия 11, Естественные науки. - 2012. - №9 1. - С. 48-57.
11. Лобачева, Г. К. Способ создания биохимических барьеров путем рекультивации земель, загрязненных продуктами нефтепереработки
/ Г. К. Лобачева, А. В. Карпов, О. А. Макаров, И. Ж., Гучанова, А. И. Филиппова, Н. В. Колодниц-кая // Вестник Волгоградского государственного университета. Серия 10, Инновационная деятельность. - 2012. - №> 6. - С. 119-133.
12. Препарат для биологической очистки почвы, загрязненной хлорорганическими вещества-
ми, свойственными выбросам химического предприятия / А. М. Салдаев, Г. К. Лобачева, Н. В. Ко-лодницкая, В. М. Осипов патент на изобретение RUS 2442668 01.06.2010.
13. Arthur, E. L. Phytoremediation-an overview / E. L. Arthur, P. J. Rice // Critical Reviews in Plant Sciences. - 2005. - Vol. 24. - P. 109-122.
DEVELOPMENT AND REALIZATION THE TECHNOLOGY OF ECOLOGICAL REMEDIATION OF THE OIL-POLLUTED LANDS
Zheltobryukhov Vladimir Fedorovich
DSc in Technical, Professor, Head of the Department of Industrial Ecology and Safety,
Volgograd State Technical University Z_Vi_f@mail.ru
Prospect Lenina, 28, 400005 Volgograd, Russian Federation
Osipov Vasily Mihailovich
DSc in Technical, Deputy Chief Engineer for Ecological and Technical Safety of “DRSU № 1” osipovvm@mail. ru
ul. Dzhanybekovskaya, 26, 400012 Volgograd, Russian Federation
Kolodnitskaya Natalya Vladimirovna
PhD in Technical, Head of Department of the Scientific Researches,
Ecological Academy knv-volg@mail.ru
ul. Lenina, 15, 400066 Volgograd, Russian Federation
Styazhin Vladimir Nicolaevich
PhD in Technical, Associate Professor, Department of Applied Mathematics,
Volgograd State Technical University vstyazhin@yandex. ru
Prospect Lenina, 28, 400005 Volgograd, Russian Federation
Karpov Andrey Viktorovich
Head of the Ecology Department,
ООО “LUKOIL-Volgogradneftepererabotka” knv-volg@mail.ru
ul. 40 let VLKSM, 55, 400029 Volgograd, Russian Federation
Abstract. Article is devoted to the technology of an ecological remediation of the lands polluted by oil products developed and realized in practice. The technology is two-phasic and includes a bioremediatsionny stage and fitoremediatsionny. The received results on restoration of the technogenic destroyed lands were mathematically processed by means of regression and correlation analyses. The technology based on application of a preparation on the basis of vermiculite and a sugar sorghum, is recommended for introduction at a recultivation of the destroyed lands.
Key words: the oil-polluted lands, biological product, biogeochemical barrier, soil restoration, test-culture, regression, correlation analyses, technology.
