Почва: источники загрязнения и последствия. Лекция 16 презентация

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.

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.

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.

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.

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).

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.

Воздействие тяжелых металлов на здоровье человека

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.

РЕМЕДИАЦИЯ ПОЧВ
Ремедиация – комплекс мероприятий, направленных на очистку и восстановление свойств природных сред, в частности почв, грунтов, донных осадков.
Методы ремедиации разделяют на:
небиологические (механические, физико-химические, химические);
биологические;
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.

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.
НЕБИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ И ТЕХНОЛОГИИ РЕМЕДИАЦИИ

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.

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.

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.

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.

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,
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.
( Fe2+ + H2O2 → Fe3+ + OH· + OH− )

Биологические методы ремедиации
Биоремедиация – биологический процесс, протекающий в мягких физико-химических 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Обработка в биореакторах

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).

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.

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.

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.

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.

Ферментёры или биореакторы, представляют собой камеры, в которых в жидкой или на твердой среде выращивают микроорганизмы. Процесс, происходящий в ферментере, называется ферментацией.
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.
Культуральная жидкость – это жидкость, в которой выращивается культура микроорганизмов. В культуральной жидкости биомасса может находиться в неоднородном виде - клетки биомассы могут образовывать агломераты.
Сублимационная сушка — это обезвоживание замороженного продукта путем возгонки (сублимации) льда. Сушка проходит при вакууме в течении нескольких часов с равномерно возрастающей температурой.

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.

СРАВНЕНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ МЕТОДОВ РЕМЕДИАЦИИ