МЕТОДЫ ОЧИСТКИ ГРУНТА ОТ БЕНЗАПЕРЕНА НА ТЕРРИТОРИИ, ОТВЕДЕННОЙ ПОД СТРОИТЕЛЬСТВО Текст научной статьи по специальности «Экологические биотехнологии»

Методы очистки грунта от бензаперена на территории, отведенной под строительство

Ужахов Кархан Мочкиевич

профессор, ФГБОУ ВО «Ингушский государственный универси-

Ульбиева Ирина Салаховна

заведующая кафедрой «Строительные дисциплины», ФГБОУ ВО «Ингушский государственный университет», [email protected]

Ужахов Магомед Карханович

аспирант Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова

Цечоева Аминат Хусеиновна

заведующая кафедрой «Машиноведение», ФГБОУ ВО «Ингушский государственный университет»

Дзангиева Ашат Руслановна

ассистент кафедры «Строительные дисциплины», ФГБОУ ВО «Ингушский государственный университет»

В статье рассматривается вред наносимый бенз(а)пиреном окружающей среде и здоровью человека. Бенз(а)пирен, являясь канцерогеном, накапливаясь в организме человека оказывает мутагенное, эмбриотоксическое, гематотоксическое действие. Нормативные акты, при достижении предельных концентраций, требуют вывоза зараженного грунта со строительной площадки с последующей утилизацией. Необходимо проверять на соответствие санитарно-гигиеническим нормам также грунт, ввозимый на строительную площадку для благоустройства, усиления основания под здание, для засыпки пазух котлована и др.

Несмотря на многочисленные работы по разработке различных технологий очистки окружающей среды от бенз(а)пирена, все большее внимание из-за экономической эффективности уделяется сорбентам, способным связывать бенз(а)пирен и снижать его токсический эффект. Проанализирован метод обеззараживания грунта от бен(а)пирена с помощью модифицированного сорбента на основе отходов кукурузных початок. Данный метод является перспективным методом, но требуются дальнейшие исследования в этом направлении.

Ключевые слова: бенз(а)пирен, сорбент, утилизация, микроорганизмы-деструкторы, экологическая проблема, сорбцион-ная биоремедиация

1. Влияние бензапирена на окружающую среду и человека

Для оценки пригодности территории к застройке, необходимо определять загрязненность грунтов различными вредными для здоровья человека веществами: нефтепродукты, радиоактивные газы, тяжелые металлы и пр. Вопросам контроля за их содержанием уделяется в настоящее время большое внимание. Индикатором экологической безопасности грунта является содержание бенз(а)пирен (С20Н12) в грунте, как наиболее токсичного представителя полициклических ароматических углеводородов.

Бензапирен — широко распространенный канцероген. Химически и термически устойчивый, он обладает свойством биоаккумуляции и попав в организм накапливается, вызывая онкологические заболевания.

Помимо канцерогенного, бензапирен оказывает мутагенное, эмбриотоксическое, гематоток-сическое действие. Он относится к веществам первого класса опасности.

В настоящее время из-за большого количества техногенных процессов, приводящих к загрязнению грунтов, водоемов и др., экологической безопасности стали уделять значительно больше внимание. Ужесточены требования санитарно-гигиенические нормы.

При проведении экологических изысканий при строительстве объектов осуществляется гигиеническая оценка качества грунтов на соответствие требованиям СанПиН 2.1.7.1287-03 «Санитарно-эпидемиологические требования к качеству почвы» .

Если содержание бензапирена в грунте не превышает 0,02 мг/кг суммарно с учетом фонового уровня, то согласно ГН 2.1.7.2041-06 «Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в почве» исследуемый грунт соответствует требованиям безопасности. В противном случае, грунт признается непригодным для использования при благоустройстве, засыпке пазух котлована, возведении грунтовой подушки и подлежит замене или обеззараживанию прямо на строительной площадке или с вывозом на полигон и дальнейшей утилизации.

X X

о

го А с.

X

го т

о

2. Методы, применяемые для очистки грунта от нефтепродуктов Нормативные документы

м о м

тет»

сч о сч

о ш Ш X

<

m о х

X

Документация, в соответствии с которой надлежит определять степень опасности, алгоритмы размещения и утилизации грунтов:

• СанПиН №2.1.7.1287-03 «Санитарно-эпидемиологические требования к качеству почвы и грунтов», утвержденные Главным государственным санитарным врачом Российской Федерации 16 апреля 2003 года, с 15 июня 2003 г. Постановление от 17 апреля 2003 г. № 53 Зарегистрировано в Минюсте РФ 5 мая 2003 г. № 4500.

ГН 2.1.7 2041-06 «Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в почве». (с изменениями на 26 июня 2017 года).

• СанПиН 1.2.3685-21 "Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов среды обитания" согласно приложению.

• СП 2.1.7.1386-03. Определение класса опасности токсичных отходов производства и потребления. (в ред. Изменения N 1, утв. Постановлением Главного государственного санитарного врача РФ от 12.01.2010 N 2, с изменениями и дополнениями N 2, утв. Постановлением Главного государственного санитарного врача РФ от 31.03.2011 N 28).

К методам утилизации, применяемым для очистки почв от нефтепродуктов и, в том числе, бенз(а)перена относятся; химический; комбинированный; термический.

Из всех, многочисленных исследований по разработке различных технологий очистки окружающей среды от бенз(а)перена, все большее внимание из-за экономической эффективности уделяется углеродистым и минеральным сорбентам, способным связывать бенз(а)пирен и снижать его токсический эффект. Комплексы высокотемпературной утилизации отходов хорошо зарекомендовали себя, что подтверждается опытом эксплуатации во многих портовых городах и крупных населенных пунктах России, таких как Санкт-Петербург, Мурманск, Новосибирск, нефтетерминал в г. Приморском и др. В Санкт-Петербурге, например, установлены и действуют в различных учреждениях города пять инсинераторов типа ИН-50. Но использование указанных установок ограничено объемами требуемой утилизации при строительстве.

Загрязнение окружающей среды углеводородами стало важнейшей экологической проблемой современности.

В настоящее время активно проводится разработка технологий, позволяющих наиболее быстро и безопасно ликвидировать последствия попадания углеводородов в окружающую среду. Из всех методов очистки почвы от нефти и нефтепродуктов наиболее экологичной и экономичной является in situ биоремедиация, основанная на окислении и минерализации углеводородов специфиче-

скими микроорганизмами-деструкторами непосредственно на загрязненном участке. Однако, (1) технологии биоремедиации еще не всегда приносят желаемые результаты. Это объясняется высокой сайт-специфичностью методов, длительностью очистки (обычно более 1-3 года), ингибирова-нием нефтедеструкторов в сильнозагрязненных почвах и высокой вероятностью загрязнения пол-лютантами грунтовых вод. Усовершенствование методов биоремедиации нефтезагрязненных почв является важнейшей проблемой сегодняшнего дня. Под термином «биоремедиация» понимают применение технологий и устройств, предназначенных для биологической очистки грунта и удаления из почвы загрязнителей. Биоремедиация имеет принцип самоочищения нефтезагрязненных территорий с участием аборигенной или привнесенной миклофлоры (5).

Исследования, проводимые в лаборатории ИФХиБПП РАН, позволили разработать высоко экологичный метод сорбционно-биологической очистки почв, сильно загрязненных органическими поллютантами, включая хлоранилины, а также нефть и нефтепродукты. Установлено, что использование гранулированного активированного угля (ГАУ) может ускорить биоремедиацию почв, загрязненных дизельным топливом, отработанным моторным маслом и сырой нефтью (2). Использование сорбентов расширяют возможности биоремедиации почв, путём снижения их токсичности и локализации токсикантов в очищаемом слое. Однако вследствие относительной дороговизны активированного угля ведется поиск более дешевых материалов, которые могли бы заменить данный сорбент при разработке технологии сорбционной биоремедиации.

Основной механизм действия сорбентов в сильнозагрязненных углеводородами почвах связан с преимущественно обратимой сорбцией углеводородов и их токсичных и подвижных метаболитов в поровом пространстве и на поверхности частиц сорбентов. Это обеспечивает более благоприятные условия для жизнедеятельности микроорганизмов-деструкторов за счет снижения токсичности и гидрофобности почв, а также за счет повышения влажности почв и доступности биогенных элементов. Т.е. метод биоремедиации ограничен в применении глубиной заражения грунта.

Установлено, что внесение натуральных сорбентов разных классов может существенно повысить скорость снижения концентрации углеводородов в серой лесной почве, загрязненной нефтепродуктами - смесь выветренного отработанного моторного масла и дизельного топлива. При исходной концентрации углеводородов около 5% оптимальные дозы минеральных сорбентов колеблются в пределах 0,2-1%, а углеродистых и органических 0,5-2%.

Сравнительная экологическая оценка метода сорбционной биоремедиации, проведенная в условиях 3-летнего микрополевого эксперимента, свежезагрязненной выветренной нефтью средней плотности (около 5% углеводородов), показала, что использование различных минеральных сорбентов существенно повышает эффективность метода биоремедиации при условии оптимизации дозы вносимых минеральных удобрений (соотношение C:N:P:K=100:1:0,5:1) и рН почвы в пределах 6,0-7,5.

Общий механизм действия сорбентов основан на снижении фито- и микроботоксичности почвы за счет преимущественно обратимой сорбции углеводородов и их токсичных метаболитов, повышении влагоемкости и пористости почвы, а также снижения ее гидрофобности, что обеспечивает благоприятные условия для развития нефтедеструкто-ров (аборигенных или инокулированных) и роста фиторемелиорантов.

При внесении оптимальных доз сорбентов не происходит существенного накопления экологически опасного бенз(а)пирена в грунте по сравнению с контролем, а его накопление в массе фитомели-орантов на стадии доочистки не превышает 0,2-0,4 ПДК.

Перечисленные методы очистки могут быть использованы для очистки поверхностных слоев почв. Нас же интересуют методы очистка грунта от бен(а)перена на достаточно большой глубине.

Почва — суть верхний (поверхностный) слой земной литосферы, структурно образовавшейся как результат процессов жизнедеятельности организмов и выветривания горных пород.

Грунт — суть динамическая многокомпонентная система (в неё включаются горные породы, осадки/почвы и техногенные образования), являющаяся частью геологической среды и рассматриваемая в прямой связи с инженерно-хозяйственной человеческой деятельностью.

Учесть все факторы при планировании биоре-медиационных работ практически невозможно, поэтому выделяют основные, характерные для всех экосистем. Ключевыми факторами в нефтенару-шенных экосистемах, влияющими на развитие уг-леводородокисляющих микроорганизмов, являются: наличие биогенных элементов питания, аэ-рируемость, влажность и низкая температура среды. Условия для применения биоремедиаци в почвенном слое и в грунте значительно отличаются.

О подземном способе очистке грунта (способе «in situ») говорят в том случае, когда грунт обрабатывается на месте заражения (на месте естественного залегания), т.е. без его выемки. Технология Air-sparging предполагает бурение скважин через каждые 5 м до области ниже пятна загрязнения в зоне насыщения и нагнетание воздуха под давлением в эту область (4). Данные подходы сложны

технологически и при этом, для их реализации требуются значительные материальные затраты, поэтому поиск альтернативных способов остается актуальным. При применении методов вне естественного залегания (способы «ex situ») грунт подвергается выемке (экскавации). При способах с выемкой грунта различают способы «on situ» от способов «of situ». При способах «on situ» обработка зараженного грунта проводится после его выемки в непосредственной близости от места санирования, в то время как обработка «of situ» включает его транспортировку в грунтоочисти-тельную установку. Таким образом, микробиологическое санирование может проводиться или подземными способами или с выемкой грунта способами «on situ» или «of situ»(4).

Санирование может осуществляться с использование модифицированных сорбентов из отходов местного растительного сырья. В качестве исследования сырья выбраны кукурузные початки, скорлупа грецкого ореха и стебли подсолнечника. Для сравнения взят адсорбент СТРГа (сорбент из тер-морасщепленного графита ТРГ, разрабатываемый ООО «Ингушский Национальный инжиниринговый центр инноваций и технологий») (3).

Через инъектоы в грунт на любую глубину закачивается вода.. Затем насосной установкой вода поднимается на поверхность и очищается, проходя через фильтр. Для проведения анализа очистки сточных вод от нефтепродуктов, в том числе от бен(а)перена была собрана простая лабораторная установка, представленная на рис. 1

х

X

о

го А с.

X

го m

о

Рисунок 1- Установка для фильтрования загрязненной воды через неподвижный слой сорбента: 1,3 - прокладки из стекловолокна, 2- сорбент, 4-загрязненная вода.

Полученные данные о концентрации нефти в очищенной воде приведены в табл. 1.

м о м

Таблица 1

сч о сч

О Ш

m

X

<

m о х

X

Исходная концентрация нефтепродуктов, мг/л Вид модифицированного сорбента Концентрация НП в профильтрованной воде, мг/л Вид немо-дифици-ро-ванного сорбента Концентрация НП в профильтрованной воде, мг/л

6,72 сорбент на основе КП 0,037 сорбент на основе КП 0,24

СТРГ 0,015 СТРГ 0,07

сорбент на основе стебля подсолнечника 0,042 сорбент на основе стебля подсолнечника 0,36

Полученные данные свидетельствуют о том, что концентрация нефти в воде находится ниже уровня ПДК. (ПДК нефти в воде для вод рыбохо-зяйственного назначения равен 0,5 мг/л).

Рисунок 2. Изотерма сорбции нефтепродуктов сорбентом на основе кукурузной початки

Постоянство величины адсорбции при больших концентрациях (отрезок ВС) объясняется тем, что адсорбционная поверхность сорбента занята молекулами углеводородов, то есть достигнут предел адсорбции.

Лабораторные исследования, представленные на данном рисунке, показывают, что в статических условиях очистку сточной воды, содержащей высокие концентрации цинка, меди и свинца, и при наличии растворенных нефтепродуктов можно осуществлять с использованием модифицированного сорбента на основе отходов кукурузных початок.

Нужно провести исследование возможности проецирования методов очистки верхних слоев почвы от нефтепродуктов, в том числе бенз(а)пе-рена, на грунты, залегающие на значительной глубине, с учетом объемов и разнообразия грунтов.

Выводы:

1. В настоящее время разработаны методы обеззараживания верхних слоев почвы при загрязнении нефтепродуктами и в частности бенз(а)пе-реном, являющимся мощным концерогеном, наносящим зна чительный вред здоровью человека.

2. В большинстве исследованиях смешивают понятие почвы и грунта.

3. Необходимо провести дополнительные исследования для разработки медов обеззараживания грунта, залегающего на достаточно большой глубине на территории земельного участка, отведенного под строительство, без вывоза на специальный полигон.

3. Строительство на загрязненной территории без замены грунта можно вести с применением технологий очистки и санации загрязненного грунта. Они основаны на реализации следующих методов:

- вентиляция загрязненных массивов грунта и удаление летучих веществ с помощью устройства вакуумных скважин, в том числе с очисткой загрязненных грунтовых вод;

- нейтрализация токсичных веществ, содержащихся в грунтовом массиве, с помощью химически активных веществ;

- вентиляция отвалов загрязненного грунта с использованием микроорганизмов;

- очистка грунта от бен(а)перена с помощью модифицированного сорбента на основе отходов кукурузных початок.

4. На земельном участке, отведенном под строительство необходимо исследовать на соответствие санитарно-гигиеническим нормам не только разрабатываемый грунт, но и ввозимый.

5. При решении вопросов о размещении объектов жилого и общественного назначения, выборе земельных участков под строительство объектов должны соблюдаться санитарные правила, выполнение требований которых является обязанностью индивидуальных предпринимателей и юридических лиц в соответствии с осуществляемой ими деятельностью.

Литература

1. Зиннатшина Л. В. Экологическая оценка влияния натуральных сорбентов на эффективность биоремедиации нефтезагрязнённой серой лесной почвы. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук. Пущено, 2019г.

2.Мязин В.А., Исакова Е.А., Васильева Г.К. Влияние гранулированного активированного угля на скорсть биоремедиации почв мурманской области,

исторически загрязненных нефтепродуктами. Журнал: Проблемы региональной экологии. ООО Издательский дом "Камертон" (Москва), стр.20-26.

3. Темирханов Б.А., Султыгова З.Х., Арчакова Р.Д., Медова З.С-А. Синтез высокоэффективных сорбентов из скорлупы грецкого ореха. Журнал: Сорбционные и хроматографические процессы. Том 12, №6, стр. 1025-1032, 2012г.

4. Трусей И. В. Стимуляция in situ автохтонных психрофильных и мезофильных микроорганизмов для биоремедиации грунтов, загрязненных нефтепродуктами. Диссертация на соискание ученой

степени кандидата биологических наук. Красноярск, 2018г

5. Шувалов Ю.В., Синькова Е.А., Кузьмин Д.Н. Очистка грунтов от загрязнения нефтью и нефтепродуктами. Журнал: горный информационно-аналитический бюллетень. №12, 2004г. стр. 107-117.

Methods of cleaning the soil from benzopyrene on the areas designed for construction

Uzhakhov K.M., Ulbieva I.S., Uzhakhov M.K., Tsechoeva A.K., Dzangieva A.R.

Ingush State University

JEL classification: L61, L74, R53

The article studies the damage done by benzopyrene to the environment and people health. Being a cancerogen, benzopyrene accumulates in the human body and has mutagenic, embryotoxic and hemotoxic influences. As soon as the concentration threshold is reached, the laws require the removal of contaminated soil from a construction site with consequent utilization. The soil, which is delivered to the construction site for environmental improvement, for reinforcing the foundation, and for filling up the pit hollows, must be examined for compliance with sanitation and hygiene standards Despite many studies developing different technologies of cleaning the environment from benzopyrene, due to the economic efficiency more and more attention is paid to the sorbents which are capable of neutralizing benzopyrene and lessening its toxic effect. The method of soil decontamination from benzopyrene with modified sorbent based on corncobs is analyzed. This method is a promising one, but additional studies are required.

Keywords: benzopyrene, sorbent, recycling, decomposers, ecological problem, sorbents bioremediation.

References

1. Zinnatshina LV Environmental assessment of the effect of natural sorbents

on the efficiency of bioremediation of oil-contaminated gray forest soil. Abstract of dissertation for the degree of candidate of biological sciences. Launched, 2019

2.Myazin V.A., Isakova E.A., Vasilieva G.K. Influence of granular activated carbon on the rate of bioremediation of soils in the Murmansk region,

historically contaminated with oil products. Journal: Problems of Regional Ecology. LLC Publishing House "Kamerton" (Moscow), pp. 20-26.

3. Temirkhanov B.A., Sultygova Z.Kh., Archakova R.D., Medova Z.S-A.

Synthesis of highly efficient sorbents from walnut shells. Journal: Sorption and chromatographic processes. Volume 12, No. 6, p. 10251032, 2012

4. Trusei IV Stimulation in situ of autochthonous psychrophilic and mesophilic

microorganisms for bioremediation of soils contaminated with oil products. Dissertation for the degree of candidate of biological sciences. Krasnoyarsk, 2018

5. Shuvalov Yu.V., Sinkova E.A., Kuzmin D.N. Cleaning of soils from pollution

by oil and oil products. Journal: mining information and analytical bulletin. No. 12, 2004 pp. 107-117.

X X

о го А с.

X

го m

о

м о м