Рекультивация и восстановление отравленных земель

Рекультивация и восстановление отравленных земель

Одна из основных проблем, с которой сталкиваются разработчики при строительстве жилых домов и массивов, та, что некоторые из заброшенных земель отравлены. Загрязняющие вещества, содержащие свинец и медь, можно часто найти на пустырях, где прежде были фабрики, мастерские.

В 1983 году в Екатеринбурге, на неорганизованной свалке Верх-Исетского металлургического завода, содержащей гальваношламы, пересыпанные бытовыми отходами и строительным мусором, объемом 40 тыс. м³, построили детскую многопрофильную больницу № 9. В результате измерений установлено повышенное содержание ртути (0,5 ПДК), количество сероводорода и аммиака в подвалах здания превышают ПДК для атмосферного воздуха. Для детского лечебного учреждения и восприимчивых организмов детей это очень много.

Наиболее высокий уровень загрязненности почв по санитарно-химическим показателям выявлен на территории гг. Кировграда (100%), В-Г1ышмы (96%), Ревды (90%), Екатеринбурга (69%), В-Салды, Режа, Полевского (50%).

РЕКУЛЬТИВАЦИЯ ПОЧВ И ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ

Во многих городах при сносе старых домов остаются небольшие участки заброшенной земли. Эти участки пустуют в течение многих лет, зарастают травой и часто используются местными жителями для свалки отбросов. Эти участки называют пустырями.

ПУСТЫРИ И СТОЧНЫЕ РЕКИ В ГОРОДАХ

Пустыри образуются не только в результате сноса старых жилых домов, но и при ликвидации какого-нибудь производства, хранилища, складов и пр. Они, как магнит, притягивают к себе отходы самого различного характера. Участки вскоре становятся безобразными и привлекают еще больше мусора. Зачастую бывает трудно восстановить, какого рода отходы попали в почву в прошлое время и, тем более, что сбрасывалось на уже образовавшийся пустырь. Для того чтобы использовать такой пустырь для строительства или озеленения, необходимо знать, какие загрязняющие вещества находятся в почве, устранить их и только после этого принимать решение о том, как лучше использовать это место. Аналогичная ситуация часто возникает и в связи с восстановлением загрязненных земель в сельской местности, в лесном массиве. Существует и другая проблема больших городов -- водоемы. Как правило, водные резервуары и реки крупных городов совершенно непригодны не только для питья, но и для существования животной жизни. Вспомните, например, состояние реки Идеть в городе Екатеринбурге, Нижне-Исетского пруда и многих других водоемов. Аналогичная ситуация существует и в Нижнем Тагиле, да, пожалуй, и во всех промышленных городах Свердловской области. Даже прекращение сбросов стоков в эти водоемы не улучшит положение, потому что донные отложения этих водоемов и рек пропитаны загрязняющими веществами.

Всем нам хотелось бы, чтобы наши, города, поселки, села, реки и озера были чистыми и красивыми. В некоторых местах жители с помощью местных властей очищают такие участки, создают небольшие природные заповедники, игровые площадки или зеленые уголки. Так, например, заброшенная земля в Ливерпуле (см. рис. 67) превращена в прекрасное место отдыха, широко используемое местными жителями. Для этого необходимо восстановить загрязненные земли, реки и водоемы. Тогда появятся и красивые птицы (а не только вороны), рыбы и другая живность.

Однако процесс восстановления или рекультивации почвы и водоемов очень сложный и достаточно дорогостоящий. В последние годы в промышленно развитых странах появились новые технологии по переработке и очистке грунтовых и поверхностных вод, почв, осадочных отложений, отстоев и твердых отходов. В нашей же стране очистка производится простым снятием грунта и вывозом его на свалки. Так поступили в 1979 году в Екатеринбурге, где при ликвидации аварии в Чкаловском районе был снят слой почвы и вывезен на так называемую Сидельниковскую свалку. Свалка ничем не ограждена, и отсутствуют даже предупредительные знаки.

Вопрос использования земель, занятых под свалки в нашем городе решается просто: сравняли с землей -- и нет проблемы. На свалках строят жилые дома, больницы, гостиницы, детские площадки, и многое другое. Нередко свалки загоняют под асфальт.

ГИГИЕНИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ ПОЧВЫ И МЕРОПРИЯТИЯ ПО ЕЕ САНИТАРНОЙ ОХРАНЕ

Почва имеет большое гигиеническое значение. Она является посредником, обеспечивающим циркуляцию в системе «внешняя среда -- человек» химических и радиоактивных веществ, применяемых в народном хозяйстве, а также поступающих в почву с выбросами промышленных предприятий, всех видов транспорта, сточными водами и т.д.

Почва является главным элементом биосферы, где происходят миграция и обмен химических веществ нашей планеты. Из почвы через питьевую воду, пищевые продукты и атмосферный воздух химические вещества поступают в организм человека.

Почва является одним из источников химического и биологического загрязнения атмосферного воздуха, подземных и поверхностных вод, а также растений, используемых человеком для питания. Попадающие в почву химические вещества испаряются и сублимируются, попадают в атмосферный воздух, накапливаются в нем до концентраций, превышающих ПДК, и достигают уровней, опасных для здоровья людей; смываются дождевыми водами с ее поверхности в открытые водоемы, поступают в грунтовый поток, определяя качественный состав хозяйственно-питьевых вод. Эпидемиологическое значение почвы состоит в том, что в ней возбудители инфекционных заболеваний могут длительно сохранятся жизнеспособными и вирулентными. Загрязненная почва может выполнять роль фактора передачи человеку кишечных инфекций. Передача возбудителей кишечных заболеваний через почву является очень сложной. Наиболее простой путь заражения -- через руки, загрязненные инфицированной почвой. Иногда возбудители кишечных инфекций могут передаваться по одному из таких путей:

организм больного -- почва -- пищевые продукты растительного происхождения -- восприимчивый организм;

организм больного -- почва -- подземные воды -- восприимчивый организм и т.д.

И наконец, почва -- это естественная, наиболее подходящая среда для обезвреживания жидких и твердых отходов. Почва является той системой жизнеобеспечения Земли, тем элементом биосферы, в котором происходит детоксикация (обезвреживание, разрушение, превращение в нетоксичные соединения) основной массы поступающих в нее экзогенных органических и неорганических веществ. Попавшие в почву органические вещества в виде белков, жиров, углеводов и продуктов их обмена подвергаются распаду вплоть до образования неорганических веществ (процесс минерализации). Параллельно в почве происходит процесс синтеза из органических отбросов нового сложного органического вещества почвы, получившего название гумуса. Процесс синтеза почвенного органического вещества называется гумификацией, а оба биохимических процесса (минерализация и гумификация), направленные на восстановление почвы, получили название процессов самоочищения почвы. Этим термином обозначается и процесс освобождения почвы от биологических загрязнений, хотя правильнее говорить о естественных процессах ее обеззараживания. Что касается процессов самоочищения почвы от химических экзогенных веществ, то их правильнее назвать процессами детоксикации почвы, а все вместе -- процессами обезвреживания почвы.

Под загрязнителями почвы, согласно определению, следует понимать химические вещества, биологические организмы (бактерии, вирусы, простейшие, гельминты) и продукты их жизнедеятельности, встречающиеся в ненадлежащем месте, ненадлежащее время и в ненадлежащем количестве. Под загрязнением почвы следует подразумевать лишь то содержание химических и биологических загрязнителей в ней, которое становится опасным для здоровья при прямом контакте человека с загрязненной почвой или через контактирующие с почвой среды по экологическим цепям:

* почва -- вода -- человек; ^в почва -- атмосферный воздух -- человек;

* почва -- растение -- животное -- человек и т.п.

Все загрязнители можно разделить на химические (неорганические и органические) и биологические (вирусы, бактерии, простейшие, яйца гельминтов). Химические загрязнители делятся на две большие труппы. К первой группе относятся химические вещества, вносящиеся в почву планомерно, целенаправленно, организованно. Это -- пестициды, минеральные удобрения, структурообразователи почвы, стимуляторы роста растений и др. В случае внесения избытка этих препаратов они становятся загрязнителями почвы.

Загрязнение почвы пестицидами опасно при прямом контакте человека с загрязненной почвой или при миграции их в контактирующие среды (вода, воздух, растения) на уровне концентраций, небезопасных для человека.

Что касается минеральных удобрений, то убедительных научных данных об опасности для здоровья человека применения их избыточного количества в настоящее время нет. Однако азотные минеральные удобрения при избыточном их внесении в почву опасны для здоровья, так как могут вызвать отравления, получившие название нитратной метгемоглобинемии, служат основой для синтеза в почве нитрозаминов, обладающих канцерогенным эффектом и т.д.

Ко второй группе химических загрязнителей относятся химические вещества, попадающие в почву случайно, с техногенными жидкими, твердыми и газообразными отходами. Сюда входят вещества, поступающие в почву вместе с бытовыми и промышленными сточными водами, атмосферными выбросами промышленных предприятий, бытовыми и промышленными твердыми отходами, выхлопными газами автотранспорта и т.д. Опасность соединений как первой, так и второй групп химических веществ, поступающих в почву, определяется их токсичностью, аллергенным, мутагенным, эмбриотропным и другими эффектами, опасными для здоровья человека как в настоящее время, так и в последующих поколениях.

Почва до 1972 года была единственным элементом биосферы, в котором не нормировалось содержание химических загрязнений. Объяснялось это тем, что почва представляет собой мало динамичную, многофакторную систему, меняющуюся на небольших климато-ландшафтных территориях, что обусловливает наличие видов, типов и подтипов почв, стандартизировать которые не представлялось возможным. В настоящее время разработано более 50 ПДК экзогенных химических веществ в почве. Сама по себе величина ПДК не свидетельствует о степени загрязнения конкретного почвенно-климатического региона. Величинами, учитывающими конкретные региональные почвенно-климатические особенности являются ПДУВ -- предельно допустимый уровень экзогенных химических веществ в почве и их БОК-- безопасное остаточное количество. ПДУВ характеризует допустимое безопасное для здоровья людей количество химических веществ, вносимое в почву в начале ее обработки. БОК -- допустимые безопасные для здоровья людей остаточные количества экзогенных веществ перед обработкой полей, выхода рабочих на сельскохозяйственные поля после обработки почвы и в конце вегетационного периода.

Санитарная охрана почвы. Цель санитарной охраны почвы состоит в сохранении такого ее качества, при котором почва не являлась бы фактором передачи заразных для человека и животных заболеваний и не привела бы к прямому или косвенному, по экологическим цепочкам (почва -- растение -- животное -- человек; почва -- воздух -- человек; почва -- растение -- животное -- человек и др.), острому или хроническому отравлению экзогенными химическими веществами с возможными отдаленными последствиями.

Мероприятия по санитарной охране почвы подразделяются на следующие группы:

Санитарно-технические мероприятия по сбору, удалению, обезвреживанию и утилизации отходов, загрязняющих почву (санитарная очистка населенных мест).

Технологические мероприятия, направленные на создание безотходных и малоотходных технологических схем производств, уменьшающих или снижающих до минимума образование отходов.

Планировочные мероприятия, касающиеся научного обоснования и соблюдения величины санитарно- защитных зон между очистными сооружениями и жилыми зданиями, местами водозабора, выбора схем движения автотранспорта, выбора земельных участков под очистные сооружения.

Законодательные, организационные и административные мероприятия.

процесс промывки почвы

Однако если почва уже заражена, ее необходимо очистить и восстановить. Наиболее часто при обеззараживании почвы применяется процесс промывки. Этот процесс преследует две цели.

Механическое воздействие и вода (иногда с добавками) физически удаляют загрязнения из почвенных частиц.

Перемешивание почвенных частиц позволяет отделить сильно загрязненные мелкие частицы от более крупных почвенных частиц, тем самым снижая объем материала, требующего дальнейшей обработки, и затраты на процесс обеззараживания.

Таким образом, этот процесс основан на использовании воды с последующим уменьшением объема, при котором опасные загрязняющие вещества извлекаются и концентрируются с помощью физических и химических методов в небольшой части осадка, соразмерной с первоначальным объемом загрязнений. Основная концепция процесса состоит в переносе загрязняющих веществ из почвы в промывочную воду с последующим их извлечением. Очищенная почва может быть возвращена на участок или найти полезное применение. Оставшийся небольшой объем загрязненного осадочного концентрата может быть обработан другими разрушающими или связывающими процессами такими как сжигание, низкотемпературная термальная десорбция, химическая экстракция, дехлорирование, биологическое разложение, затвердевание/стабилизация и остекловывание. К физическим методам обработки почвы относятся: дробление, грохочение, мокрая сортировка, притирочное размельчение, сепарация в плотной среде, флотация, гравитационное осаждение и механическое обезвоживание. Соответствующими химическими средствами являются детергенты, поверхностно-активные вещества, вещества, вызывающие образование хелатных соединений, коагулянты, флоккулянты и вещества, регулирующие рН. Промывка является эффективным методом обработки как почв, так и донных отложений рек, озер и пр.

Процесс может быть эффективным и экономически оправданным, когда загрязненная почва или донные отложения содержат не более 40% ила, а частицы глины имеют размеры не более 63 микрон. Содержание твердых органических веществ не должно превышать 20% объема.

К типичным опасным загрязнениям, которые эффективно удаляются этим методом, относятся:

донные отложения, насыщенные нефтепродуктами;

радиоактивные загрязнения;

тяжелые металлы;

креозот;

пестициды,

цианиды.

Состав почвы и распределение загрязняющих веществ

Более полное понимание процессов очистки почвы и пользы этой промывки может быть достигнуто при рассмотрении почвенных образцов А--Г и типичного распределения в них загрязнений.

A. Поверхностное загрязнение обычно наименьшее, в основном -- физическая адгезия, выражающаяся в уплотнении. Удаляется и переносится в промывочную воду механическим разрыхлением.

Б. Минеральные илы и глины являются основными веществами, абсорбирующими опасные загрязнения, так как имеют очень развитую поверхность по отношению к объему и обладают повышенной способностью сцепления.

B. Твердые органические вещества, такие как корни и листья растений, гумус и т.д., обладающие, в виду их абсорбирующих свойств, способностью сбора загрязнений.

Г. Взвешенные загрязнения присутствуют в растворенном состоянии в виде частичек ила и глины. Кроме этих твердых и жидких компонентов, вместилищем для летучих загрязнений может служить воздух (или газ), присутствующий в пустотах между частицами почвы. Сложность почвенной промывки возрастает с ростом содержания ила, глины и твердых органических веществ.

ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ ПРОЦЕССА РЕКУЛЬТИВАЦИИ ПОЧВЫ И ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ

Рекультивация осуществляется за счет выполнения технологических процессов (рис. 70), позволяющих выделить из загрязненной почвы:

обезвреженный, обезвоженный гранулированный почвенный продукт, который можно возвратить на участок или использовать для других целей;

обезвоженные загрязненные твердые - органические вещества для дальнейшей обработки или захоронения;

обезвоженные загрязненные глинистые/илистые почвенные фракции для дальнейшей обработки или захоронения;

загрязняющие вещества из промывочной воды с целью ее очистки и обезвреживания в соответствии с нормативами для сброса в водоемы.

1 этап: Подготовка почвы к очистке

Основная цель этого этапа -- приготовить суспензию, имеющую номинальные размеры частиц в пределах 6 мм. Для этого с помощью комплекта сит или первичного виброэкрана почву просеивают для удаления мусора, металла, дерева и пр. При необходимости доведения размеров крупных каменных включений до нужного размера допускается применение размельчения. Для контроля размеров частиц суспензии и отделения материала, не требующего очистки, используется мокрое вибрационное экранирование.

При помощи распылителей омывающего раствора, встроенных в просеивающую машину, в питающий поток добавляется промывочная вода, создающая среду, в которую будут перенесены, а затем и удалены все загрязняющие вещества.

2 этап: смешивание, притирочное размельчение, поверхностное извлечение. Предварительно отсортированная суспензия направляется в машину, осуществляющую размельчение притиркой.

Здесь загрязненный ил/глина отслаиваются от поверхностей гранулированных почвенных частиц и переносятся в промывочную воду. Это достигается путем комбинации:

воздействия механических и жидкостных касательных напряжений, вызываемых взаимным трением гранулированных частиц (Движение частиц обеспечивается роторными двигателями внутри притирочных ячеек или другими механическими средствами.);

воздействия добавляемых химических реагентов, ускоряющих растворимость и перенос загрязняющих веществ с поверхностей гранулированных частиц в промывочную воду.

3 этап: Отделение ила, глины и загрязняющих веществ, находящихся в промывочной воде, от размельченного гранулированного материала.

Эта операция обычно выполняется с помощью гидроциклонов или наклонных разделителей винтового типа. В результате образуются два продукта:

обезвоженный поток твердых частиц, состоящий в Основном из размельченного песка и твердого органического вещества, такого как уголь, лигнин, дерево и т.д.;

поток, состоящий из промывочной воды со взвешенными (загрязненными) частицами минерального (ила/глины) и твердого органического вещества. Промывочная вода может также содержать растворенные загрязняющие вещества, такие как ионы тяжелых металлов, которые будут удалены позже традиционной обработкой для промышленных сточных вод (например осаждением или ионообменом).

4 этап: Отделение загрязненного твердого органического вещества от размельченного гранулированного материала.

Загрязненные твердые органические вещества, такие как уголь, древесина, сгнившие остатки растительности, имеют очень высокую способность абсорбировать загрязняющие вещества, поэтому такие твердые вещества должны быть изолированы от гранулированных компонентов почвы. Этот материал эффективно удаляется с помощью уплотняющего сепаратора. Он отделяет органические вещества, имеющие меньшую силу тяжести от песка или других более тяжелых частиц. Изолированный осадочный органический продукт затем обезвоживается и, если необходимо, уничтожается, например, сжиганием. Промытый, очищенный песок, поступающий из сепаратора, вторично промывается или же сразу обезвоживается с помощью вибросита, винтового обезвоживателя или гидроциклона. Впоследствии его можно вернуть обратно на участок, с которого была взята почва, продать производителям бетона, асфальта или использовать для других целей.

5 этап: Удаление загрязненного ила/глины из промывочной воды. Удаление растворенных загрязняющих веществ.

Загрязненные минеральные ил или глина, находящиеся в промывочной воде во взвешенном состоянии, коагулируются, флоккулируются и осаждаются в форме уплотненного минерального отстоя, который обезвоживается с помощью фильтрующего пресса или другого фильтрационного оборудования. В случаях, когда в промывочной воде присутствуют растворенные соли тяжелых металлов, они осаждаются при повышении рН с образованием гидроксидов металлов, которые можно удалить флоккуляцией и осаждением или флотацией растворенным воздухом с последующим обезвоживанием загрязненного отстоя (или накипи) с помощью фильтрации.

6 этап: Менеджмент осадка

Существуют многочисленные применения для использования осадков после промывки почвы. Твердые органические вещества и органическая спрессовавшаяся корка с фильтров обычно разрушаются сжиганием. Осадки, загрязненные гидроксилами тяжелых металлов стабилизируются при затвердевании. В зависимости от экономических затрат насыщенные металлами неорганические осадки могут быть восстановлены, рециклированы или подготовлены к сбросу на специально предназначенные для них свалки.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РЕКУЛЬТИВАЦИИ ПОЧВ

Биологическая рекультивация вне участка. Помимо промывки почвы в последнее время в развитых странах появилось большое число новых технологий, позволяющих очистить почву, как от всех загрязнений, так и от специфических загрязняющих веществ. При этом рекультивации почвы проводится непосредственно на участке, для того чтобы избежать затрат на экскавацию и транспортировку больших объемов грунта. При биологической рекультивации вне участка верхний слой почвы снимается и вывозится на специальный полигон, где вся эта масса земли обрабатывается. При этом для разложения органических загрязняющих веществ в почве, отстое и твердом грунте используются микроорганизмы. Микроорганизмы разлагают загрязняющие вещества, используя их как источник пищи. Конечным продутом обычно являются СО₂ и Н₂О. При биологической рекультивации твердые вещества сначала перемешиваются в воде до формирования жидкой пульпы, и биологическое восстановление осуществляется на жидкой фазе; затем производится второй этап обработки -- твердофазная биорекультивация, при которой почва загружается в камеру или закрытое помещение и разрыхляется с добавкой воды и питательных веществ.

Если пораженные участки земли очень большие, такой процесс будет очень трудоемок, долог и достаточно дорог. Представьте себе перемещение больших объемов земли, погрузку в самосвалы и перевозку, иногда на значительные расстояния, на место, которое, как правило, занимает довольно большую территорию. После рекультивации этот процесс необходимо повторить в обратном порядке. Однако качество рекультивации в этом случае будет значительно выше.

Биологическая рекультивация на участке. При рекультивации непосредственно на участке можно избежать громадных затрат, связанных с вывозом почвы, большим расходом горючего и людских ресурсов. Однако продолжительность этого процесса будет несколько больше. Что же это за процесс? Кислород, а иногда питательные вещества, закачиваются под давлением через скважины в почву или распределяются по поверхности для инфильтрации в загрязненный материал. Процесс разложения загрязняющих веществ микроорганизмами происходит прямо на участке, а при помощи биовенттиляции конечные продукты удаляются.

Восстановление маслосодержащих отходов. Очень часто во время или после хранения горючесмазочных материалов в почву попадают и остаются там маслосодержащие вещества. Такой участок даже после ликвидации производства или хранилища долгое время будет абсолютно безжизненным, лишенным как растений, так и животных. Чтобы вернуть его к жизни, необходимо удалить маслосодержащие отходы. Обычно эту задачу решают простым снятием грунта и вывозом его на свалку. То есть отодвигают решение проблемы очистки почвы на какой-то, часто продолжительный срок, пока не возникнет проблема восстановления земли, занятой свалкой. Новый процесс восстановления решает проблему сразу. Маслосодержащие отходы при помощи пара или горячей воды смываются и перемещаются в более проницаемые для жидкостей участки, а затем выкачиваются из почвы. При желании загрязненные масла можно очистить и использовать в качестве топлива.

Цианидное окисление. При цианидном окислении участки, пораженные органическими цианидами, обрабатываются соответствующими химическими веществами. При этом происходят химические реакции, и органические цианиды окисляются до менее опасных соединений. Далее, если необходимо, участок обрабатывается другими методами.

Дехлорирование. При дехлорировании происходит удаление или перемещение опасных соединений, содержащих атомы хлора.

Промывка на участке. При использовании процесса промывки в почву, отходы или грунтовые воды вводятся большие объемы воды (иногда с химическими соединениями для обработки). Опасные загрязнения вымываются с участка. Однако выводимая вода должна быть эффективно изолирована в пределах водоносного пласта и обязательно восстановлена.