CC BY
11
УДК 631.418
Куликова Н.В., Грошева С.В., Тихонова И.О.
ЛИЗИМЕТРИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПОТЕНЦИАЛЬНЫХ СТРУКТУРАТОРОВ ДЛЯ БИОРЕМЕДИАЦИИ
Куликова Надежда Владиславовна - магистрант 1 -го года обучения кафедры промышленной экологии, ikoonadva@gmail.com.
Грошева Светлана Валерьевна - аспирант 2-го года обучения кафедры промышленной экологии, Тихонова Ирина Олеговна - кандидат технических наук, доцент кафедры промышленной экологии; ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», Россия, Москва.
Рассмотрены различные структураторы, применяемые в биоремедиации загрязненных почвогрунтов. Приведены результаты лабораторных исследований, полученные при осуществлении лизиметрического эксперимента для четырех структураторов с целью оценки возможного вторичного загрязнения при внесении структуратора в почву. По полученным характеристикам выбран структуратор для дальнейших экспериментов по биоремедиации нефтезагрязненных почвогрунтов - торф низинный.
Ключевые слова: загрязнение почвогрунтов, нефтепродукты, биоремедиация, структураторы, лизиметрия
LYSIMETRIC CHARACTERIZATION OF POTENTIAL STRUCTURATORS FOR BIOREMEDIATION
Kulikova N.V.1, Grosheva S.V.1, Tikhonova I.O.1,
1D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russian Federation
The article discusses various structurators, used in bioremediation ofpolluted soil are considered. Results of Laboratory research, which were received by implementation lysimetric experiment for 4 structurator with the aim of evaluating the probable secondary pollution by putting the structurator in the soil, are given. According to the received characteristics, new strukturator for the next experiments on bioremediation of oil-contaminated soils - low-moor peat was chosen. Key words: polluted soils, oil products, bioremediation, structurator, lysimetry
Введение
Для очистки нефтезагрязненных почвогрунтов применяют различные технологии, которые отличаются способом разрушения углеводородов: механические (обваловка, вакуумный сбор) биологические (биоремедиация), физико-химические (обработка реагентами, экстракция углеводородов растворителями). В настоящее время наиболее эффективными являются биологические методы, которые заключаются во внесении микроорганизмов-нефтедеструкторов на загрязненную нефтепродуктами почву одновременно с внесением структураторов почвы, которые также являются сорбентами углеводородов.
Структураторы способствуют стабилизации основы почв, улучшают её дренируемость и водный режим, уменьшают эрозию и деструкцию. При этом повышается влагоемкость и пористость, а также гидрофильность почвообразующих пород.
Различают структураторы природного
происхождения (торф, древесные опилки, мох сфагнум, и т. д.) и искусственные (полимерные сорбенты различных марок). В качестве структураторов могут быть использованы отходы промышленности (пивоваренного производства, отработанный активный ил, отходы строительства, пищевые отходы). Расширение базы вторичных материалов для получения биосорбентов, позволяет использовать ресурсный потенциал отходов, получить новые материалы с заданными свойствами, применяемыми в природоохранных технологиях, и минимизировать негативное воздействие отходов на объекты окружающей среды [1].
В процессах биоремедиации используются такие природные структураторы, как торф (верховой и низинный), навоз конский, древесные опилки, мох сфагнум, лиственный опад. Рассмотрим влияние различных видов структураторов на глубину процесса биоремедиации нефтезагрязненных почв. Краткая характеристика потенциальных структураторов
Одним из наиболее распространенных применяемых при ремедиации структураторов является торф, использование которого рекомендуется ГОСТ Р 57447-2017 «Наилучшие доступные технологии. Рекультивация земель и земельных участков, загрязненных нефтью и нефтепродуктами. Основные положения» [2]. Использование торфа в качестве сырья для получения мелиоранта нефтезагрязненных почв обусловлено его высокой сорбционной ёмкостью по отношению к нефти и повышенной численностью активной
углеводороокисляющей микрофлоры. Сорбционная емкость торфа определяется его микроструктурой и дисперсностью, пористостью, клеточной структурой и высокой удельной поверхностью (до 200 м2/г) [3]. Применение торфа для деструкции нефтяных углеводородов требует его активации путем внесения азотно-фосфорных удобрений [4].
Торф обладает рядом преимуществ перед остальными сорбентами: высокая нефтеемкость; высокая скорость поглощения нефтепродуктов; отсутствие десорбции, что исключает вторичное загрязнение окружающей среды; безвредность сорбента для окружающей среды; эффективность работы при низких температурах; низкая стоимость.
Применение активированного торфа
рекомендуется в случае, если почвы слабогумусированны или представлены минеральным грунтом (песок или глина), а уровень загрязнения достаточно высок. Активацию торфа проводят путем добавления комплексного минерального удобрения -нитроаммофоски [6]. Активированный торф при внесении его в нефтяную среду обеспечивает возрастание общей численности
углеводороокисляющей микрофлоры по сравнению с их численностью в нативном торфе.
Избыточный активный ил (ИАИ) сооружений биологической очистки сточных вод Ил биологической очистки сточных вод содержит значительное количество биогенных веществ для питания растений, а также содержит активный комплекс нефтеразрушающих микроорганизмов. В то же время в иле имеется чрезвычайно сложный состав токсикантов. Поэтому необходимо изучить ил методами биотестирования, которые охарактеризуют интегральную токсичность и обоснуют безопасность воздействия ила на растения.
Внесение ИАИ значительно повышает общую численность гетеротрофов как за счет привнесения микроорганизмов самого ила, так и активизации аборигенной микробиоты почвы за счет питательных субстратов, содержащихся в иле. Внесение ИАИ в почву резко усиливает активность каталазы в течение всего периода рекультивации. В присутствии ИАИ и нефти повышается активность ферментов класса гидролаз (играют важную роль в обогащении почвы подвижными и доступными растениям и микроорганизмам питательными веществами) и оксидоредуктаз (каталазы, дегидрогеназы) [7]. Внесение ИАИ в почву, загрязненную нефтью, способствует снижению содержания остаточных углеводородов, нормализации агрохимических, микробиологических и биохимических показателей.
Карбонизированный активный ил получают в результате низкотемпературного пиролиза ИАИ. Физические свойства карбонизата уступают углеродному сорбенту, но достаточны для использования в качестве носителя для закрепления микроорганизмов на пористой поверхности, о чем свидетельствует значительное количество макропор (до 90,6 %), характеризующихся размерами, сопоставимыми с размерами клеток микроорганизмов, иммобилизируемых на носителе (4-5 мкм). Рекомендуемая доза вносимого карбонизата составляет 1-2 тонны на 1 га нефтезагрязненной площади в зависимости от концентрации нефтепродуктов, но не более 50 г/кг [8]. Экспериментальная часть.
Для оценки возможности вторичного загрязнения почвогрунтов веществами, вымываемыми из потенциальных структураторов, был поставлен лизиметрический эксперимент. Цель - изучение динамики вымывания и перехода в почву веществ различных структураторов под действием атмосферных осадков, и оценки возможного вторичного загрязнения почвы за счет внесения
структуратора. Полученная водная вытяжка имеет характеристики, приближенные к формирующемуся природными условиями внутреннему стоку. Собственно, лизиметрический эксперимент, в рамках проводимого исследования, является процессом моделирования естественных условий при применении структураторов для рекультивации нарушенных земель. Такой метод позволит оценить динамику формирования стока и поступления химических компонентов из исследуемых структураторов-сорбентов при выщелачивании их естественным путем.
Для эксперимента были выбраны четыре структуратора, определенных по результатам литературного поиска как наиболее эффективные: торф верховой, торф низинный, вермикулит и навоз конский.
Для эксперимента был определен среднегодовой объем осадков для Пономаревского шламонакопителя, расположенного в Оренбургской области. Климатические характеристики были приняты согласно СП 131.13330.2020 «Строительная климатология», среднее количество осадков за апрель-октябрь в Оренбургской области составляет 252 мм в год (252 л/м2). Выполнен пересчет количества осадков на площадь лизиметрической колонки, рассчитанный объем осадков составил 4,8825 л на одну лизиметрическую колонку.
Для исследования динамики вымывания полезных компонентов из почвенного слоя и построения зависимости содержания компонентов от объема пропускаемых осадков, было предложено пропускать расчетное количество осадков для каждой пробы частями. Для этого была измерена водоудерживающая способность каждого структуратора в соответствии с Приложением А ГОСТ ISO 14238-2014 «Качество почвы. Биологические методы. Определение минерализации и нитрификации азота в почвах и влияние химических веществ на эти процессы». Определение водоудерживающей способности структураторов проводили в пластиковых трубках диаметром 4 см и высотой не менее 10 см. Через трубку, заполненную структуратором в воздушно-сухом состоянии, проливали воду до полного прекращения ее впитывания структуратором. Далее влагоемкость пересчитывали на массу структуратора, находящегося в лизиметрической колонке.
Исходя из влагоемкости и массы каждого структуратора был рассчитан объем однократного пролива в сутки. Запланированный к инфильтрации объем воды соответствовал среднегодовому количеству осадков Оренбургской области. Для проведения лизиметрического анализа были подготовлены экспериментальные колонки с инфильтрацией жидкого стока, наполненные водой по принципу сообщающихся сосудов.
Полив лизиметрической колонки, заполненной структуратором, проводили отстоявшейся
дехлорированной культивационной водой. По истечении 1 часа фильтрационную воду сливали и отбирали для проведения дальнейших анализов. Полученную вытяжку анализировали на следующие
показатели: активная реакция (рН), цветность, жесткость, электропроводность, перманганатная окисляемость, ионы аммония, хлориды, сульфаты, нитраты, железо общее, марганец.
Таблица 1 - Сравнение конечных концентраций веществ в вытяжке с показателями ПДК
Результаты лизиметрического эксперимента по некоторым показателям представлены в Таблице 1 и на рисунке 1.
Структураторы
Показатели Торф Торф Вермикулит Навоз ПДКв, мг/л ПДКрх, мг/л
верховой низинный конский
Ионы аммония, мг/л 1,5 0,3 0 0 1,5 0,5
Нитрат-ионы, мг/л 7 7 300 500 45 40
Перманганатная окисляемость, мг О2/л 10 4 100 200 7 -
Сульфат-ионы, мг/л 100 100 5000 2500 500 100
Хлорид-ионы, мг/л 30 10 500 1000 350 300
Жесткость, град. 2,64 2,97 313,5 396 10 -
рН 5,8 7,1 7,8 8,2 6,0-9,0 = фон
Ж /
- Л'' _ «
_ * г
- * - №и жмошА
550 1050 1550 2050 ЯВЛ 3050 >'■'<' 4050 4550 V еодИг мл
а) изменение рН водной вытяжки
* и
I"
I г
♦ Торф Н1 - * «Наю конский
«С ^ » • * ^
2300 3300
V воды, мл
б) изменение перманганатной окисляемости
— № — »инйх нян&ай
I "■» ^ * _ *
г '» ч-х
МО ИВ 1М0 1800 2300 ¿400 1 3800 4300 4300
Умды, гч»
в) изменение жесткости вытяжки
—♦— Тор« £ низинный
\ - • - Нами К0м<иим
V Вермикулнг
V- ■«
у.....\
V *
г \ * V —- ........^
» V- -.
3000 3000
V (111 Ды. мл
г) изменение содержания нитратов
Рисунок 1. Изменение показателей водных вытяжек в зависимости от объема промывной воды.
Выводы.
На основании полученных данных наилучшими характеристиками, т.е. наименьшим вымыванием потенциальных вторичных загрязняющих веществ, характеризовался торф низинный, который выбран для дальнейших экспериментов по биоремедиации нефтезагрязненных почвогрунтов.
Список литературы:
1. Каменщиков Ф. А., Богомольный Е. И. Нефтяные сорбенты, Ижевск: - Москва - Институт компьютерных исследований, 2003. - 268 с.]
2. ГОСТ Р 57447-2017.Наилучшие доступные технологии. Рекультивация земель и земельных участков, загрязненных нефтью и нефтепродуктами. Основные положения. М.: Стандартинформ, 2019.
3. Марченко М. Ю., Шуктуева М. И. Биоремедиация нефтезагрязненных почв. // Башкирский вестник. -2011. - Том 8. - № 8. С.с. 191-195.
4. Пиковский Ю.И. Трансформация техногенных потоков нефти в почвенных экосистемах //
Восстановление нефтезагрязненных почвенных экосистем. М.: Наука. - 1988. С. 7-22.
5. Патент РФ №2560366, МПК Б0Ш0/24 Б0Ш0/30. Сорбент торфяной и способ его получения / Бобошкин А. Н. - №2014112717/05; заявл. 01.04.2014; опубл. 20.08.2015
6. Алексеева Т. П., Бурмистрова Т. И. Мелиоранты на основе торфа для очистки почвы от нефтяных загрязнений // Вестник Томского государственного университета. Биология. - 2010. - №1(9). с. 5-12.
7. Ерохина Н. И. Экологическая оценка ила сточных вод и возможность его использования в биоремедиации нефтезагрязненных почв: Автореф. дис. ... канд. биол. наук. - Уфа, 2012. - 22 с.
8. Вейсман Я. И., Глушанкова И. С., Дьяков М. С., Ходяшев М. Б. Экологически безопасный способ утилизации осадков сточных вод биохимических очистных сооружений с получением углеродсодержащих сорбционных материалов // Всероссийский научно-практический журнал «Вода: химия и экология» - 2011. - том 3. С. 113-117.
