Способ очистки и рекультивации нефтезагрязненных почв
METHOD FOR CLEANING AND RECULTIVATING OIL-CONTAMINATED SOILS

Изобретение относится к области сельского хозяйства, а именно к способу очистки и рекультивации нефтезагрязненной почвы.
Известен способ очистки и восстановления почв на основе сорбционного связывания нефтяных загрязнителей, при котором используют состав, содержащий торф (98,989%-84,79%), азотное (0,01%-0,15%) и фосфорное (0,01%-0,06%) удобрение и цеолит-глинистую породу (1%-15%), гидрофобизированный катионным ПАВ (Патент RU №2450872, опубл. 20.05.2012).
К недостаткам описанного способа относится низкая эффективность препарата к деструкции нефтяных углеводородов, так как применяемые в процессе сорбции компоненты торф и цеолит-глинистая порода при внесении в почву, деструктурируют ее и уменьшают порозность, препятствуя проникновению кислорода, замедляя естественные окислительно-восстановительные процессы в почве, препятствуя развитию и нарушая работу почвенных углеводородоокисляющих микроорганизмов, что увеличивает сроки очистки и восстановления почвы.
Известен способ, при котором используется для очистки почвы и воды от нефти и нефтепродуктов природный многокомпонентный сорбент, состоящий на 90%-95% из торфа и сапропелей с добавлением 0,05%-5% соли двухвалентных металлов гуминовых кислот (Патент RU №2124397, опубл. 10.01.1999).
К недостаткам описанного способа можно отнести большие дозы внесения сорбента для достижения полного очищения и восстановления почвы, так как компоненты, составляющие основу препарата торф и сапропели, быстро обволакиваются нефтяной пленкой, что резко снижает их сорбционную емкость.
Известен способ рекультивации и очистки земель сельскохозяйственного назначения от токсичных загрязнителей путем внесения в почву гуминового сорбента, полученного в процессе гидратации деионизированной водой природного бурого угля, измельченного в результате тонкого помола до размера частиц не более 0,1 мм. Используемый сорбент увеличивает гигроскопичность почвы, препятствует поглощению растениями органических поллютантов и ионов металлов, увеличивает плодородие почвы (Патент RU №2205165, опубл. 27.05.2003).
К недостаткам описанного технического решения относится недостаточная изученность влияния гуминового сорбента на нефтяные углеводороды при очистке и восстановлении почв, так как в патенте приведены результаты оценки действия сорбента на засоленные почвы, почвы, загрязненные металлами, в том числе тяжелыми и органическими поллютантами полихлорбифенилами.
За прототип выбран способ очистки почвы от нефти и нефтепродуктов, по которому в почву поэтапно вносят многокомпонентный сорбент, сначала цеолит (64,5-73,2 вес. %) и шунгит (24,4-32,3 вес. %), а через неделю гумат калия (2,4-3,2 вес. %), при этом обработанную почву перекапывают в течении двух недель. (Патент RU №2681120, опубл. 04.03.2019).
К недостаткам известного технического решения, препятствующего достижению заявленного технического результата, можно отнести недостаточную степень очистки почвы от нефти и нефтепродуктов, в течении двух лет (двух сезонов) не более 88%.
Задача - разработка эффективного способа рекультивации и очистки почв от нефтезагрязнений, основанного на применении комплексного природного мелиорирующего сорбента.
Технический результат - повышение качества очистки почв в процессе рекультивации в течении 4-6 месяцев снижение содержания нефтезагрязнений ниже 1 г/кг, с возможностью дальнейшего использования очищенной почвы для возделывания сельскохозяйственных культур на следующий год.
2
Технический результат достигается способом очистки почвы от нефти и нефтепродуктов с использованием сорбента на основе цеолита, при котором в очищаемую почву вносят последовательно природный цеолит с содержанием клиноптилолита 65-70%, с размером фракций 1-3 мм, дозой внесения 150 г/кг почвы, и гуминовый порошкообразный препарат на основе бурового угля с содержанием гуминовых кислот не менее 73-82%, дозой внесения 15 г/м почвы, осуществляют рыхление на глубину загрязнения, влажность почвы поддерживают на уровне 60%, рекультивацию осуществляют в течение 4-6 месяцев, температура воздуха окружающей среды должна быть выше +3°С.
К существенным признакам, влияющим на достижение заявленного технического результата, относятся:
- использование природного цеолита с содержанием клиноптилолита 65-70%, с размером фракций 1-3 мм;
- доза внесения природного цеолита 150 г/кг очищаемой почвы;
- применение порошкообразного гуминового препарата на основе бурого угля с содержанием гуминовых кислот не менее 73-82%;
2
- доза внесения гуминового препарата 15 г/м очищаемой почвы;
- рыхление (перемешивание грунта) на глубину загрязнения или на глубину пахотного слоя;
- поддержание влажности почвы на уровне 60%;
- температура воздуха окружающей среды не ниже +3°С;
- период очистки и восстановления 4-6 месяцев.
Гуминовые препараты и цеолиты - это сорбенты мелиоранты природного происхождения. Их использование увеличивает деструктивное влияние мелиоранта на нефтяные поллютанты, структурирует почву, повышает ее влагоемкость, воздухопроницаемость, порозность, стимулирует развитие почвенных микроорганизмов деструкторов нефтяных углеводородов. Гуминовые препараты представлены в жидкой и порошкообразной (гранулированной) формах, при этом содержание гуминовых кислот значительно выше в порошкообразных формах, и достигает более 80%. В отличии от гуматов, превышение норм внесения которых в почву подавляет естественную микрофлору, гуминовые кислоты обладают положительной биологической активностью и способны не только поддерживать развитие почвенной микробиоты, но и нейтрализовать действие различных почвенных загрязнителей, большей биологической активностью обладают гуминовые кислоты полученные из бурого угля, следовательно, они способны оказывать более длительное положительное влияние при очистке и рекультивации почв. Цеолиты - природные минералы алюмосиликаты вулканического происхождения. Химический состав цеолитов отличится в зависимости от места добычи. При внесении в почву являются источниками макро- и микроэлементов, их ценные каталитические и сорбционные свойства определяются степенью наличия составе таких элементов как шабазит, эрионит, модернит, ломонит, филлипсит в том числе и клиноптилолит, которые имеют кристаллическую структуру и обладают ионообменными свойствами.
В результате применения природного цеолита с содержанием клиноптилолита 65-70%, достигаются оптимальные показатели необходимые для получения заявленного технического результата, при изменении процентного содержания клиноптилолита увеличивается срок и качество очистки почвы от нефти и нефтепродуктов.
Размер фракции цеолита 1-3 мм установлен экспериментально, в результате исследований, так как уменьшение размера зерен ухудшает степень очистки, а увеличение, не оказывает существенного влияния на результат процесса ремедиации.
2
Дозы внесения природного цеолита 150 г/ кг почвы и гуминового концентрата 15 г/м очищаемой почвы подтверждены опытно-экспериментальным путем и являются достаточными и необходимыми, так как при их уменьшении снижается степень очистки почвы от нефти и нефтепродуктов, а увеличение отрицательно сказывается на физико-химических характеристиках почвы.
Опытным путем установлено, что для достижения заявленного технического результата необходимо применение гуминового препарата с содержанием гуминовых кислот не менее 73-82%, снижение процентного содержания гуминовых кислот в гуминовом препарате снижает степень очистки почвы от нефтяных загрязнителей и увеличивает срок ее рекультивации.
Рыхление (перемешивание грунта) на глубину загрязнения осуществляется с целью достижения заявленного технического результата, так как контакт комплексного мелиоранта только с поверхностью почвы не обеспечивает ее очищение от нефтяных поллютантов по всей глубине загрязнения.
Опытно-экпериментальным путем было установлено, что влажность почвы после внесения мелиоранта, на протяжении всего периода рекультивации необходимо поддерживать на уровне 60%, при ее изменении как в одну, так и в другую сторону, происходит замедление ремедиационной работы компонентов мелиоранта в почве и в заданный период не удается достигнуть снижения содержания нефти и нефтепродуктов в очищаемой почве ниже 1 г/кг.
Требования к соблюдению воздушно теплового режима окружающей среды не ниже +3°С являются необходимыми, в ходе эксперимента было установлено, что при понижении температуры воздуха ниже установленного режима происходит охлаждение (промерзание) верхнего почвенного слоя в результате чего, снижаются сорбционные свойства вносимого мелиоранта, сокращается его стимулирующее воздействие на естественную почвенную микробиоту, что ведет к снижению степени очистки почвы от нефтяных углеводородов.
Оптимальный период очистки и восстановления почвы 4-6 месяцев установлен в ходе экспериментов, так как именно в течении этого периода достигается заявленный технический результат.
Каждый эксперимент приводили в трехкратной повторности, параллельно, измерения проводили каждые 10 дней, по результатам трех параллельных измерений в каждом опыте находили среднеарифметическое значение, которое учитывали, как результат. Измерение содержания нефти и нефтепродуктов в почве осуществляли методом колориметрии.
Примеры конкретного выполнения.
Пример 1.
2
В три емкости объемом 5 л на дно насыпали мелкий гравийный щебень фракции 10-20 мм слоем 1,5-2 см, а сверху 3 кг почвы, загрязненной нефтью Южно-Первомайского месторождения Саратовской области, в концентрации 50 г/кг. Далее в каждую емкость добавляли смесь природного цеолита с содержанием клиноптилолита 65% и размером фракции 1 мм и порошкообразного гуминового концентрата на основе бурого угля с содержанием гуминовых кислот 73%, исходя из принятых дозировок: природного цеолита - 150 г/кг, гуминового препарата - 15 г/м, в пересчете на наш объем и площадь поверхности загрязненного грунта 450 г природного цеолита и 6 г гуминового препарата. Почву вместе с мелиорантом перемешивали по всей глубине загрязнения. Влажность, полученного субстрата поддерживали на уровне 60%. Температура воздуха окружающей среды на протяжении всего опыта была выше +3°С. Измерения и наблюдения проводили в течении 6 месяцев. В результате были получены данные по снижению концентрации загрязнения почвы с 50 г/кг до 0,562 г/кг.
Пример 2.
2
В три емкости объемом 5 л на дно насыпали мелкий гравийный щебень фракции 10-20 мм слоем 1,5-2 см, а сверху 3 кг почвы, загрязненной нефтью Южно-Первомайского месторождения Саратовской области, в концентрации 50 г/кг. Далее в каждую емкость добавляли смесь природного цеолита с содержанием клиноптилолита 70% и размером фракции 3 мм и порошкообразного гуминового концентрата на основе бурого угля с содержанием гуминовых кислот 82%, исходя из принятых дозировок: природного цеолита - 150 г/кг, гуминового препарата - 15 г/м, в пересчете на наш объем и площадь поверхности загрязненного грунта 450 г природного цеолита и 6 г гуминового препарата. Почву вместе с мелиорантом перемешивали по всей глубине загрязнения. Влажность, полученного субстрата поддерживали на уровне 60%. Температура воздуха окружающей среды на протяжении всего опыта была выше +3°С. Измерения и наблюдения проводили в течении 4 месяцев. В результате были получены данные по снижению концентрации загрязнения почвы с 50 г/кг до 0,997 г/кг.
Согласно ГОСТ Р 57447-2017 при оценке степени загрязнения земель и земельных участков нефтью и нефтепродуктами в качестве допустимого уровня принято использовать значение, равное 1,0 г/кг, но фоновые концентрации углеводородов в почвах значительно варьируются в зависимости от типа почв и могут быть выше 1,0 г/кг. Поэтому рекультивацию проводят до условного предела -допустимого остаточного содержания нефти в почве (ДОСНП), - который разрабатывают с учетом природно-климатических, ландшафтных, почвенных и иных особенностей регионов, состава и свойств нефти, в ряде случаев - с учетом конечного прогнозируемого результата очистки почвы после технического и биологического этапов и потенциала (скорость, направленность процессов дальнейшего очищения и восстановления почв) после завершения рекультивации.
Очищенную от нефти почву до концентраций загрязнения ниже 1 г/кг, использовали для выращивания сельскохозяйственных культур.
Следовательно, заявленный способ очистки нефтезагрязненных почв позволяет повысить качество очистки в процессе рекультивации и снизить содержание нефтезагрязнений ниже 1 г/кг, для дальнейшего использования очищенной почвы при возделывании сельскохозяйственных культур.
Данные по снижению нефтезагрязнений ниже 1 г/кг приведены в таблице.