Почва: источники загрязнения и последствия. Лекция 16

1. Почва: источники загрязнения и последствия.

2.

Почва — природное тело, формирующееся в
результате преобразования поверхностных
слоёв суши Земли при совместном воздействии
факторов почвообразования.
Почва состоит из почвенных горизонтов,
образующих почвенный профиль,
характеризуется плодородием. Многообразие почв
отражено в разных типах почв.
В почве содержится некоторое количество органического вещества. В органогенных
(торфяных) почвах оно может преобладать, в большинстве же минеральных почв его
количество не превышает нескольких процентов в верхних горизонтах.
В состав органического вещества почвы входят как растительные и животные остатки, не
утратившие черт анатомического строения, так и отдельные химические соединения,
называемые гумусом. В составе последнего находятся как неспецифические вещества
известного строения
(липиды, углеводы, лигнин, флавоноиды, пигменты, воск, смолы и т. д.), составляющие до
10—15 % всего гумуса, так и образующиеся из них в почве специфические гумусовые
кислоты.

3.

3

4.

4

5.

Основные источники
загрязнения почвы:
1)
пестициды (ядохимикаты);
2)
минеральные удобрения;
3)
отходы и отбросы производства;
4)
газо-дымовые
выбросы
загрязняющих веществ в атмосферу;
5)
нефть и нефтепродукты.
5

6.

Пестициды
Пестици́ды (лат. pestis «зараза» + caedo «убивать») — химические средства,
используемые для борьбы с вредителями и болезнями растений, а также с
различными паразитами, сорняками, вредителями зерна и зернопродуктов, древесины, изделий
из хлопка, шерсти, кожи, с эктопаразитами домашних животных, а также
с переносчиками опасных заболеваний человека и животных.
Понятие пестицидов объединяет следующие группы таких средств:
гербициды, уничтожающие сорняки;
инсектициды, уничтожающие насекомых-вредителей;
фунгициды, уничтожающие патогенные грибы;
зооциды, уничтожающие вредных теплокровных животных; и т. д.
Вызывают глубокие изменения всей экосистемы, действуя на все живые организмы, в то
время как человек использует их для уничтожения весьма ограниченного числа видов
организмов.
Среди
пестицидов
наибольшую
опасность
представляют
стойкие
хлорорганические соединения (ДДТ, ГХБ, ГХЦГ), которые могут сохраняться в почвах в
течение многих лет.

7.

7

8.

Минеральные удобрения
Почвы загрязняются минеральными удобрениями, если
их используют в неумеренных количествах, теряют при
производстве, транспортировке и хранении. Из азотных,
суперфосфатных и других типов удобрений в почву в
больших количествах мигрируют нитраты, сульфаты,
хлориды и другие соединения. Это приводит к нарушению
биогеохимического круговорота азота, фосфора и некоторых
других элементов.
Большое количество нитратов снижает содержание
кислорода в почве, а это способствует повышенному
выделению в атмосферу двух «парниковых» газов – закиси
азота и метана.

9.

Отходы и отбросы производства
Отходы и отбросы производства занимают огромные
площади земель в виде свалок, золоотвалов, хвостохранилищей и
др., которые интенсивно загрязняют почвы, а их способность к
самоочищению ограничена.
Хвостохранилище — комплекс специальных
сооружений и оборудования, предназначенный для
хранения или захоронения радиоактивных,
токсичных и других отвальных отходов обогащения
полезных ископаемых (такие отходы именуют
хвостами).

10.

Газо-дымовые выбросы
Газо-дымовые
выбросы
промышленных
предприятий накапливаются в почвах вблизи комбинатов.
Значительное количество свинца содержат почвы,
находящиеся
в
непосредственной
близости
от
автомобильных дорог.
10

11.

Воздействие тяжелых металлов на
здоровье человека
Элементы
Последствия воздействия элементов
Источники
Ртуть (Hg)
Нервно-паралитические расстройства
(болезнь Минамата); нарушение функций
желудочно- кишечного тракта, почек;
изменение в хромосомах
Загрязненные почвы,
поверхностные и подземные
воды
Мышьяк (As)
Раковые заболевания кожи, интоксикация,
периферические невриты
Загрязненные почвы,
протравленное зерно
Свинец (Pb)
Разрушение костных тканей, задержка
синтеза протеина в крови, нарушение
нервной системы и почек
Загрязненные почвы,
поверхностные и подземные
воды
Медь (Сu)
Органические изменения в тканях, распад
костной ткани, гепатит
Загрязненные почвы,
поверхностные и подземные
воды
Кадмий (Cd)
Цирроз печени, нарушение функций почек,
протеинурия
Загрязненные почвы

12.

Нефть и нефтепродукты
Загрязнение земель нефтью и нефтепродуктами в нефтедобывающих
районах (Западная Сибирь, Среднее и Нижнее Поволжье и др.).
Причины загрязнения – аварии на магистральных и внутри промысловых
нефтепроводах, несовершенство технологии нефтедобычи, аварийные и
технологические выбросы и т.д.

13. РЕМЕДИАЦИЯ ПОЧВ

Ремедиация – комплекс мероприятий, направленных на очистку и восстановление
свойств природных сред, в частности почв, грунтов, донных осадков.
Методы ремедиации разделяют на:
1) небиологические (механические, физико-химические, химические);
2) биологические;
3) комбинированные.
По месту обработки почвы принято различать методы:
1) on site – рядом с местом загрязнения (требует изъятия
загрязненного материала);
2) ex situ (off site) – транспортировка загрязненной почвы на
полигоны или специальные площадки и очистные установки;
3) in situ – на месте загрязнения без изъятия загрязненного материала.

14.

НЕБИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ И
ТЕХНОЛОГИИ РЕМЕДИАЦИИ
Извлечение и захоронение
Извлечение,
последующее
перемещение,
складирование
и/или
захоронение
загрязненного
материала
является одним из наиболее широко
используемых способов ремедиации.
Контаминированную почву, грунт или
осадки складируют на специальных полигонах
и площадках. Однако такой метод не
устраняет загрязнение, а лишь перемещает его
с одного места на другое.

15.

16.

Фиксирование и стабилизация
В методах фиксирования, стабилизации и отвердевания
в загрязненный изъятый материал или отходы добавляют
бентонитовую глину, портланд-цемент, летучую золу, пыль
печей обжига, фосфаты (цементирование), жидкое стекло
(остекловывание,
омоноличивание),
битум
(битуминирование), полимерные добавки и композиции,
другие цементирующие и вяжущие материалы или
химические реагенты.
После отвердевания образуется монолитный материал, в
котором отходы и загрязнения инкапсулированы, главным
образом, в результате механических и физических процессов
связывания. Они становятся менее доступными и менее
токсичными.
Стабилизированные материалы могут использоваться в качестве
вертикальных барьеров для изоляции и стабилизации
горизонтальных потоков перемещающихся загрязняющих
веществ.

17.

Инертизация - модификация методов фиксирования и
стабилизации, при котором смесь отходов и глин обрабатывают для
«самозапечатывания» загрязненного материала и уменьшения
эмиссии загрязнений.
Георемедиация (геотрансформации) - усовершенствованный
метод стабилизации и отвердевания . Это направление
исследований, в рамках которого изучаются возможности
контролировать, воспроизводить и/или интенсифицировать
естественные геохимические процессы деградации загрязнений,
химического выветривания и кристаллизации.

18.

Фракционирование
Метод заключается в механическом разделении загрязненных почв
на специальных установках с выделением наиболее загрязненных
фракций (просеивание, размол и истирание, классификация на
виброситах,
влажное
фракционирование
в
отстойниках,
гидроциклонах, в скрубберах, водной струей высокого давления,
флотация, магнитная сепарация).
Это наименее затратные методы при обработке по варианту ex situ.
В них, как правило, используется оборудование, применяемое при
добыче песка или гравия, модернизированное для очистки
загрязненных грунтов.
При использовании этих методов загрязнения не разрушаются, но
уменьшается
количество
почвы,
требующей
обработки
и
складирования.

19.

Термообработка
Метод обработки почвы ex situ, который включает сжигание, пиролиз, газификацию, непрямом
сжигание, отдувку с паром, термокаталитическаю обработку.
При прямом термическом воздействии на почву, таком как сжигание или газификация в частично
окисленной среде, большая часть органического вещества почвы, включая загрязнения, сжигается.
Обычно система термической
обработки почвы состоит из двух
ступеней:
1) высушивание и термическая
десорбция загрязнений из почвы;
2) обработка отходящего газа с
дожиганием летучих продуктов
термической десорбции и распадом
их в инсинераторе до соответствия
уровня содержания загрязнений в
выходящем
из
системы
газе
требуемым стандартам.

20.

Деструктивная очистка
Методы деструктивной очистки с использованием сильных
окислителей эффективны для разрушения ряда органических соединений,
включая хлорированные углеводороды и растворители, формальдегид,
кислородсодержащие ароматические соединения (фенолы и др.). В
качестве таких окислителей используют:
реактив Фентона, ( Fe2+ + H2O2 → Fe3+ + OH· + OH− )
перманганат калия,
озон,
ультрафиолетовое излучение,
ионизирующая радиация.
Эти методы могут быть применены для обработки грунтовых,
дренажных и промывных вод, образуемых при очистке загрязненных почв.
В некоторых случаях окислители могут непосредственно вноситься в
объем почвенного материала.

21. Биологические методы ремедиации

Биоремедиация – биологический процесс, протекающий в мягких физикохимических условиях, при сохранении структуры почвы, ее функциональных
свойств. Наиболее распространены биометоды и биотехнологии на основе
использования бактерий, грибов и растений (фиторемедиация).
Среди способов биоремедиации выделяют:
природное истощение (самоочищение) или внутренняя биоремедиация;
биостимулирование in situ;
биоаугментация, использование биопрепаратов;
методы биоконцентрирования: биоадсорбция, биоаккумуляция;
реакционно-активные биобарьеры: искусственные биогеохимические барьеры и
биоэкраны;
биоремедиация ex situ (обработка в буртах, насыпях; компостирование и
вермикомпостирование; биорыхление; обработка в биореакторах);
фиторемедиация.

22. Самоочищение (природное истощение или внутренняя ремедиация)

Это стратегия пассивной очистки in situ, основанная на протекании естественных
процессов, которые уменьшают мобильность загрязнения и его массу.
При наличии условий окружающей среды, необходимых для протекания природных
биологических процессов самоочищения, данный способ позволяет обойтись без активных
ремедиационных систем и резко снизить затраты на очистку. Применяется при очистке почв и
грунтовых вод от соединений, которые относительно биодоступны и биодеградируемы
(нефтепродукты, хлорированные растворители, пестициды, загрязнения, выщелачиваемые со
свалок)
Самоочищение в природных средах – это комплексный процесс, включающий физические
(механическое включение или захват почвенными агломератами), физико-химические (сорбция
внутри или на поверхности почвенного вещества, образование и осаждение коллоидов),
химические (реакции гидролиза, окисления, восстановления, деградации, полимеризации) и
биологические (биотрансформация, биодеградация) механизмы превращения загрязнений.
Недостаток метода природного истощения – медленное протекание процессов и
соответственно длительность очистки.

23. Биостимулирование

Активная
биореммедиация
in
situ,
предусматривает
активизацию
жизнедеятельности природного сообщества путем создания оптимальных условий
окружающей среды.
Биостимулирование может осуществляться in vitro. В этом случае из места
загрязнения выделяется естественная (аборигенная) микрофлора почвы или воды.
Выделенные микроорганизмы культивируются в биореакторах, в ферментерах, для
увеличения их количества, повышения их биоремедиационных возможностей, а затем
вносятся в место загрязнения.
Для очистки почвы от загрязнений используют агротехнические приемы:
почву периодически перепахивают и рыхлят для более равномерного распределения
масс контаминанта в поверхностном слое, для увеличения поверхности контакта
загрязнений, почвенных агрегатов с микроорганизмами, для лучшей аэрации
загрязненного материала, для улетучивания наиболее легких и биотоксичных
фракций нефти;
увлажняют;
мульчируют (поверхностное покрытие почвы для защиты и улучшения ее свойств);
вносят мелиоранты и структураторы, минеральные и органические удобрения.

24. Биоаугментация

Это внесение экзогенного биологического материала в природную среду. В загрязненные среды
вносятся выделенные из естественных источников специально отобранные, селекционированные
микроорганизмы (в виде биопрепаратов), обладающие необходимой биодеградирующей активностью,
устойчивые к высоким концентрациям поллютанта и не обладающие нежелательными побочными
эффектами (экологическими, санитарно-гигиеническими). Внесенные микроорганизмы разлагают
основную массу загрязнений, снижают негативное их воздействие на биоту и тем самым стимулируют
процессы самоочищения.
Внесение специализированных микроорганизмов целесообразно в случаях, если:
концентрация загрязнения в почве относительно высока, скорость и/или остаточные концентрации
поллютанта при разложении его аборигенной микрофлорой неудовлетворительны;
загрязнение свежее, не застарелое;
физико-химические условия места загрязнения неблагоприятны для роста природной
микрофлоры;
загрязнение трудно поддается разложению естественной микрофлорой даже в том случае, если для
нее созданы оптимальные условия (биостимуляция неэффективна);
интродуцируемые микроорганизмы обладают физиолого-биохимическими свойствами,
отличными от аборигенных популяций;
имеется реальная возможность уменьшить время биоремедиации и/или улучшить качество
очистки;
необходимо гарантировать надежность достижения конечного результата.

25. Биоконцентрирование и локализация

Биоконцентрирование (биоадсорбция, биоаккумуляция, обогащение) – это
накопление вещества-загрязнителя в локальной зоне в результате жизнедеятельности
организмов путем адсобции, иммобилизации, связывания в твердой фазе органических и
неорганических веществ или в биогенном материале. Биомасса с накопленным
загрязнением может быть извлечена и переработана отдельно.
При локализации загрязнения не всегда концентрируются, но связываются в
малоподвижные формы в результате иммобилизации их на поверхности организмов,
связывания с почвенным веществом под действием организмов или осаждения в зоне их
активной жизнедеятельности.
Один из наиболее важных процессов внеклеточного осаждения тяжелых
металлов – перевод их сульфатредуцирующими бактериями в сульфиды в
результате образования сероводорода.
25

26. Варианты очистки природных сред при использовании способов биоконцентрирования и локализации:

Загрязнения аккумулируются микроорганизмами и извлекаются из почвы с их
биомассой.
Металлы и другие загрязнения адсорбируются микроорганизмами и
водорослями из водных сред (природных водоемов, сточных вод, промывных вод,
грунтовых вод). Могут использоваться суспензии микроорганизмов или их
иммобилизованные формы.
Загрязнения аккумулируются почвенной микрофлорой и остаются
локализованными в контаминированной среде. Этот способ требует большого
количества биомассы в почве, чего можно достичь методами биостимулирования
или биоаугментации. Его недостаток – возможность повторного высвобождения
контаминантов в среду, возрастания их мобильности при отмирании организмов и
разложении биогенного материала.
Почвенная микрофлора или внесенные в почву микроорганизмы или ферменты
катализируют процессы связывания органических остатков ксенобиотиков, их
иммобилизации, что приводит к потере активности этих загрязнений.

27. Биовыщелачивание

Это процесс, увеличивающий подвижность металлов и
других химических элементов в природных средах. В
результате биовыщелачивания тяжелые металлы из
малоподвижной инертной формы переходят в более
подвижную водорастворимую форму непосредственно под
действием микроорганизмов или в результате изменения
условий среды (например, pH).
Наряду с биовыщелачиванием сульфидных руд возможно
растворение карбонатов, выщелачивание силикатов и
алюмосиликатов под действием низкомолекулярных продуктов
метаболизма, обладающих хелатирующими свойствами,
автотрофных и гетеротрофных микроорганизмов.
При биоремедиации процессы биовыщелачивания
используют для удаления металлов и радионуклидов из
загрязненных почв или других твердых материалов методами
in situ, on site и ex situ.
27

28. Обработка компостированием

заключается в смешивании загрязненного материала с
объемным органическим материалом (зеленой массой
растений, соломой, корой деревьев, навозом,
различными органическими отходами) и выдерживании
в буртах или обрабатке в биореакторах (по методам on
site и ex situ).
При необходимости в компостируемый материал
вносят минеральные компоненты, питание),
биостимуляторы, микробные препараты.
Соотношение питательных элементов для
микроорганизмов должно быть близким к
C:N:P=100:10:1.
28

29.

29

30. Обработка в биореакторах

31.

32.

32

33.

34.

Для ex situ очистки
загрязненных почв, грунтов,
других материалов можно
использовать различные
конструкции биореакторов,
среди которых выделяют:
реакторы с
фиксированным слоем
(fixed-bed bioreactor,
твердофазный биореактор),
суспензионные
реакторы с
перемешиванием (slurry
bioreactor, шламовый
биореактор).

35. Комбинированные методы ремедиации

КОМБИНИРОВАННЫЕ МЕТОДЫ
РЕМЕДИАЦИИ
Биоремедиация загрязненных сред редко используется как самостоятельный
и единственный способ. Биологическая очистка чаще сопровождается
физическими, физико-химическими и химическими процессами превращения
поллютантов. Даже при высокой биологической активности в загрязненных
средах небиологические процессы, как правило, имеют важное значение для
ремедиации.
Биологическую очистку можно непосредственно комбинировать по месту и
времени с физико-химическими методами, такими как промывка, отдувка,
экстракция для удаления летучих или растворимых соединений, с
электрохимической обработкой, радиочастотным нагревом, обработкой
химическими реагентами.
К числу потенциально перспективных методов для практического
применения относится совмещенный способ биологической и деструктивной
очистки с использованием сильных окислителей, например, таких как пероксид
водорода, реактив Фентона, озон, мягкое ультрафиолетовое излучение,
ионизирующая радиация.

36. использование биопрепаратов

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ
БИОПРЕПАРАТОВ
В основном отобранные
микроорганизмы для получения
биопрепаратов для биоремедиации
относятся к бактериям (псевдомонады,
родококки, бациллы, артробактерии,
флавобактерии, коринебактерии,
актиномицеты, сфингомонады,
нокардии, бактерии рр. Acinetobacter,
Achromobacter, Alcaligenes и др.),
использующим углеводороды и
органические ксенобиотики в качестве
субстрата или косубстрата.
Активные биодеструкторы
выделены также и среди грибов, в
частности среди грибов белой гнили
Phanerochaete chrysosporium,
обладающих лигниназной,
пероксидазной, лакказной
активностями, среди дрожжей рр.
Candida, Yarrowia, Rhodotorula и среди
цианобактерий.
36

37.

37

38.

ТРЕБОВАНИЯ К ПРЕПАРАТАМ ДЛЯ
ОЧИСТКИ ПРИРОДНЫХ СРЕД
• получены на основе непатогенных штаммов, выделенных из природных
ценозов или селекционированных в лаборатории;
• не содержат патогенных инфицирующих микроорганизмов;
• микроорганизмы биопрепаратов должны иметь высокие технологические
показатели: способность к росту и накоплению биомассы в промышленных
ферментерах; высокая конкурентоспособность по отношению к сопутствующей
микрофлоре; сохранение жизнеспособности при высушивании и длительном
хранении;
• просты в использовании и экономически приемлемы;
• обеспечивать эффективное снижение уровня загрязнения без образования
опасных промежуточных и конечных продуктов трансформации;
• дозы препаратов должны активировать самоочищающую способность
природных биоценозов, не стимулировать рост патогенных микроорганизмов.

39. Технология получения сухих товарных форм биопрепаратов

прием, хранение и подготовка сырья, органического субстрата, растворов
минеральных солей;
обеспечение ферментационного процесса источником кислорода, технологической
водой, паром, моющими и дезинфицирующими средствами, пеногасителями;
выращивание посевного материала;
накопление биомассы в рабочем аппарате – ферментере;
концентрирование суспензии микроорганизмов сепарацией, микрофильтрацией,
адсорбцией на инертных материалах-наполнителях;
сушка;
если предусмотрено, гранулирование, компаундирование препарата с различными
наполнителями и внесение добавок;
расфасовка, упаковка, складирование, отправка готового продукта;
очистка сточных вод, газовоздушных выбросов со стадии ферментации, сепарации и
сушки.

40.

Сублимационная сушка — это
обезвоживание замороженного продукта
путем возгонки (сублимации) льда. Сушка
проходит при вакууме в течении нескольких
часов с равномерно возрастающей
температурой.
Ферментёры или биореакторы,
представляют собой камеры, в
которых в жидкой или на
твердой среде выращивают
микроорганизмы. Процесс,
происходящий в ферментере,
называется ферментацией.
Культуральная жидкость – это жидкость, в которой выращивается культура микроорганизмов. В
культуральной жидкости биомасса может находиться в неоднородном виде - клетки биомассы могут
образовывать агломераты.
Сепарация (лат. separatio —
отделение) — это различные процессы
разделения смешанных объемов
разнородных частиц, смесей,
жидкостей разной плотности,
эмульсий, твердых материалов,
взвесей, твердых частиц или капелек в
газе.

41. СРАВНЕНИЕ МЕТОДОВ РЕМЕДИАЦИИ

Эффективность использования тех или иных методов ремедиации
определяется прежде всего целями и задачами очистки и зависит от многих
локальных факторов:
• почвенно-климатических условий,
• физико-химических свойств очищаемой среды,
• характера и уровня загрязнений,
• уровня
технических
и
санитарно-гигиенических
требований
к
ремедиационным работам,
• формой хозяйственного использования земли после
ремедиационных
работ,
• необходимых сроков их выполнения,
• имеющихся технологических и технических возможностей,
• финансовых, экологических ограничений,
• отношений с административными органами и других факторов.

42.

СРАВНЕНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ МЕТОДОВ РЕМЕДИАЦИИ
Показатели сравнения
Ремедиация
Исследование применимости Стандартные анализы, дающие
технологии для очистки места однозначный ответ
загрязнения
Биоремедиация
Комплексные междисциплинарные
исследования, требующие высокой
квалификации
Стандартизация применения
технологии
Высокая; однотипный метод
Низкая; каждый проект требует
очистки разных мест загрязнения индивидуальной разработки
Воздействие на почву
Жесткое: высокие температуры,
растворители, газы и др.
Длительность очистки
Надежность технологий
Дни, недели
Высокая; мало зависит от
особенностей места загрязнения
Мягкое: добавление природных
субстратов, биогенных элементов,
микроорганизмов
Месяцы, годы
Низкая; сильно зависит от
особенностей места загрязнения
Стоимость проекта
60-90% от стоимости ремедиации
Потенциальная экологическая Образование опасных
опасность
промежуточных продуктов
неполного разложения
Возможно образование опасных
продуктов неполной биодеградации
загрязнения

43.

Плюсы и минусы применения
биологических методов
Плюсы:
• Преимущества - протекание процесса очистки в относительно мягких условиях, не
изменяющих качество окружающей среды, значительно меньшие затраты на ее
осуществление, высокая эффективность очистки.
Минусы:
• Биологические методы не могут использоваться в зонах с высокой концентрацией
загрязнений, если загрязнение не биодоступно, если возможно образование токсичных
продуктов биотрансформации.
• При использовании биоремедиации необходимо создание условий, обеспечивающих
активность микроорганизмов: аэрации, pH, температуры, влажности, солености, достаточных
количеств биогенных элементов и других компонентов питания в формах, доступных для
микробных клеток.
• Высокие концентрации поллютантов могут ингибировать развитие микроорганизмов, в то
время как слишком низкие – не обеспечивать микроорганизмы энергией для роста,
• Ограничение биодоступности загрязнений
• При многокомпонентном загрязнении возможно удаление лишь наиболее доступных
составляющих.