Способ биологической рекультивации нефтезагрязнённых земель с помощью избыточного активного ила очистных сооружений хозяйственно-бытовых сточных вод
METHOD OF BIOLOGICAL RECULTIVATION OF OIL-CONTAMINATED SOIL BY THE SURPLUS ACTIVATED SLUDGE OF PURIFICATION PLANTS OF DOMESTIC SEWAGE

Изобретение относится к охране окружающей среды, а именно к применению избыточного активного ила очистных сооружений хозяйственно-бытовых сточных вод для биологической рекультивации нефтезагрязненных земель, для восстановления их продуктивности и народнохозяйственной ценности.
В настоящее время на очистных сооружений нефтебаз организаций ПАО «Транснефть» основная масса избыточного активного ила складируется на иловых картах (иловых площадках). Условия их складирования не исключают загрязнения ими поверхностных и подземных вод, почв, растительности. Для утилизации избыточный активный ил после стадий стабилизации, обработки флокулянтом и уплотнения подвергается обеззараживанию и обезвоживанию на гравитационной установке, а затем вывозится на обезвреживание.
Изобретение направлено на разработку способа биологической рекультивации нефтезагрязненных земель с помощью избыточного активного ила (далее по тексту также используются термин «активный ил», под которым понимается избыточный активный ил), образующегося на хозяйственно-бытовых очистных сооружениях сточных вод, путем его использования в качестве минерального и органического удобрения.
Почвенный путь утилизации активного ила в качестве удобрения является в мировой практике наиболее приоритетным, но для интенсификации процессов разложения нефти/нефтепродуктов необходимо при этом обеспечить почвы биогенными элементами, наиболее важными из которых являются азот, фосфор и калий.
Из уровня техники известен способ рекультивации нарушенных земель согласно патенту на изобретение RU 2336684 С2 (опубл. 27.10.2008, МПК: А01В 79/02).
2
2
Способ включает внесение на поверхность почвы отходов химических производств, в качестве которых используют шлам - отход содового завода в количестве 10-40 кг/м. Затем проводят вспашку. После вспашки дополнительно вносят активный ил очистных сооружений химического завода в количестве 4-5 кг/м с последующим посевом семян растений.
Активный ил очистных сооружений ОАО «Метафракс» применяется в качестве органического удобрения, содержащего в доступных формах элементы, необходимые для развития растений. Исследования показали высокие качества ила при его использовании для целей рекультивации. Он представляет собой гигроскопичную (влажность 49-54%) смесь минерального (53-78%) и органического (22-47%) вещества с достаточно высоким содержанием общего азота - до 3,6% и фосфора - до 4,8%.
Недостатком способа является необходимость использования в составе смеси активного ила с химического завода, который содержит токсичные специфические вещества (метанол и формальдегид).
Известен также способ очистки почвы и водоемов от нефтяных загрязнений, раскрытый в патенте на изобретение RU 2198748 С1 (опубл. 20.02.2003, МПК: В09С 1/10, C02F 3/34, C12N 1/20, C12N 1/20, C12R 1:01).
Способ включает очистку водоемов, почвы от нефтяных загрязнений путем обработки поверхности биореагентом, включающим в себя сухую микробную биомассу активного ила очистных сооружений целлюлозно-бумажных производств и биогенное питание. Способ очистки нефтезагрязненных почв позволяет под воздействием микробной биомассы, питательных веществ, целлюлозного волокна и низкомолекулярного лигнина, входящих в состав сухого активного ила, ускорять процесс биодеградации нефти и увеличивать степень очистки почвы и водоемов.
Известен также способ утилизации избыточного активного ила биологических очистных сооружений предприятий нефтехимии согласно патенту на изобретение RU 2223236 С1 (опубл. 10.02.2004, C02F 11/02, А01В 79/02), который может быть использован в нефтеперерабатывающей и нефтедобывающей промышленности и при рекультивации нарушенных земель и свалок промотходов.
Избыточный активный ил предварительно уплотняют и обезвоживают. Устанавливают класс опасности ила на основании химического анализа токсикантов органического и неорганического характера. Если ил относится к IV классу опасности, то в осенний период времени его размещают на нарушенном земельном участке в количестве 300-400 т/га в пересчете на сухое вещество и под зиму запахивают в поверхностный слой грунта на глубину 30 см. Изобретение позволяет снизить затратность способа и улучшить состояние окружающей среды.
Недостатком применения способов по патентам RU 2198748 С1 и RU 2223236 С1 при рекультивации нарушенных земель, в частности загрязненных нефтепродуктами, является недостаточная эффективность процесса биологической рекультивации почв из-за низкого содержания минеральных элементов, особенно калия.
Технической проблемой, на решение которой направлено изобретение, является разработка технологии биологической рекультивации нефтезагрязненных почв на основе использования избыточного активного ила очистных сооружений хозяйственно-бытовых сточных вод.
Технический результат - повышение эффективности процесса биологической рекультивации нефтезагрязненных почв путем комплексного использования избыточного активного ила, образующегося на очистных сооружениях хозяйственно-бытовых сточных вод, с калийными удобрениями.
Проблема решается, а технический результат достигается за счет того, что в способе биологической рекультивации нефтезагрязненных земель с помощью избыточного активного ила очистных сооружений хозяйственно-бытовых сточных вод избыточный активный ил стабилизируют, уплотняют, обеззараживают и обезвоживают, устанавливают класс опасности, который не должен быть выше IV, определяют состав и концентрацию биогенных элементов в избыточном активном иле, проводят расчет дозы вносимого в почву избыточного активного ила и устанавливают достаточность усвояемых форм азота, фосфора и калия, устраняют дефицит калия в избыточном активном иле путем внесения в него калийных удобрений, проводят известкование нефтезагрязненных земель на кислых почвах до получения значений водородного показателя (pH), близких к нейтральным, вносят избыточный активный ил с калийными удобрениями в нефтезагрязненные земли под вспашку, производят орошение и поддержание почвы во влажном состоянии, проводят производственный контроль почвы.
Кроме того, отличительными признаками способа является то, что:
- применяют избыточный активный ил, содержащий элементы питания, мас. %:
минеральные вещества
78-88,5
органические вещества
11,5-22
в том числе общий азот
до 3,6
фосфор
до 4,8
кальций
до 1,98
калия
0,04
магния
до 0,02
- избыточный активный ил вносят в рекультивируемые нефтезагрязненные земли под вспашку в количестве 8-20 т/га с калием хлористым в количестве 100 кг/га и известью жженой гашеной в количестве 700 кг/га.
Активный ил очистных сооружений нефтебаз организаций ПАО «Транснефть» впервые применяется авторами в качестве удобрения, содержащего элементы питания, необходимые для развития растений. Исследования показали высокие качества ила при его использовании для целей биологической рекультивации нефтезагрязненных земель.
Избыточный активный ил, получаемый на очистных сооружениях филиала ООО «Транснефть - Балтика»-«Нефтебаза «Усть-Луга», подают в стабилизатор-уплотнитель, барботируют и уплотняют, обеззараживают раствором гипохлорита натрия с дозой хлора 5 мг/л и подают на установку гравитационного типа в мешковый обезвоживатель (мешочный фильтр) с добавлением флокулянта «Праестол-650» из расчета 10 г/кг.
В результате обработки избыточный активный ил представляет собой гигроскопичную (влажность 72-78%) смесь минерального (78-88,5%) и органического (11,5-22%) вещества с достаточно высоким содержанием общего азота - до 3,6%, фосфора - до 4,8%, кальция - до 1,98% от массы сухого вещества. В иле меньше содержится калия и магния - соответственно до 0,04% и 0,2%. Водородный показатель солевой вытяжки составляет 7,4.
Предлагается использование активного ила в качестве минерального и органического удобрения на этапе биологической рекультивации нефтезагрязненных земель.
Использование активного ила в качестве удобрения основано на ряде положительных факторов - увеличивается содержание органического вещества в почве, почвы более насыщаются основаниями, имеют нейтральную реакцию, характеризуются высокой обеспеченностью подвижными формами кальция и фосфора, улучшается агрегатный состав и водоудерживающая способность почв.
Для определения возможности применения избыточного активного ила очистных сооружений хозяйственно-бытовых сточных вод в качестве минерального и органического удобрения на этапе биологической рекультивации нефтезагрязненных земель устанавливают класс опасности ила. Исследования, проведенные согласно ГОСТ Р 54534-2011 «Ресурсосбережение. Осадки сточных вод. Требования при использовании для рекультивации нарушенных земель», показали, что содержание в иле тяжелых металлов соответствуют нормативам для активного ила, используемого в качестве удобрения, и служат микроэлементами для растений (табл. 1).
Затем на основе стандартных методик (методика выполнения измерений массовых долей ПНД Ф 16.3.24-2000, ГОСТ 26715-85) определяют состав и концентрацию биогенных элементов избыточного активного ила, получаемого на очистных сооружениях филиала ООО «Транснефть - Балтика»-«Нефтебаза «Усть-Луга» (пример результата определения приведен в таблице 2).
Большое значение с точки зрения возможного использования активного ила в качестве удобрений имеют его агрохимические характеристики в сравнении с традиционно применяемыми органическими удобрениями (табл. 3).
Активный ил имеет высокое содержание элементов питания растений и не только не уступает традиционно применяемым органическим удобрениям, но и превосходит по содержанию общего азота, общего фосфора и кальция. Однако содержание калия в иле на порядок ниже, чем в органических удобрениях - конском и коровьем навозе.
Нормы внесения органических удобрений зависят от вида возделываемых культур и составляют в среднем 20-30 т (Васильев В.А., Филиппова Н.В. Справочник по органическим удобрениям, Росагропромиздат, 1988). Ежегодно содержание органического вещества в почве уменьшается на 0,5-1 т/га. Органические удобрения компенсируют неизбежные потери при минерализации (Т.П. Марчик, А.Л. Ефремов Почвоведение с основами растениеводства, Гродно: ГрГУ, 2006). Если вносить на 1 га пашни 8-20 т активного ила в год, то баланс по органическому веществу будет положительным.
Кроме органических удобрений необходимо внесение в почву минеральных удобрений для обеспечения роста растений усвояемыми (растворимыми) формами азота, фосфора и калия. Рекомендуемая норма внесения минеральных удобрений составляет 60 кг/га для каждого вида удобрений.
Расчет дозы (Д) вносимого удобрения по количеству действующего вещества проводят по формуле
Д=А×100/В,
где А - рекомендуемая норма вещества на 1 га в кг;
В - содержание активного вещества в удобрении, %. В таблице 4 приведены расчетные значения дозы внесения активного ила в сравнении с комплексными и простыми минеральными удобрениями.
Расчеты подтверждают, что внесение активного ила в качестве минерального удобрения в количестве 1667 кг/га позволяет полностью обеспечить растения азотом и фосфором, однако при этом сохраняется дефицит калия.
Применение активного ила в качестве удобрения является целесообразным, хотя при этом требуется балансировка по калию тем более, что при известковании дозы калийных удобрений должны быть увеличены на 30%, что связано с переводом калия под влиянием извести в необменные (прочно фиксированные) формы.
Для устранения дефицит калия проводят балансировку активного ила по данному биогенному элементу путем внесения в него калийных удобрений. В качестве калийного удобрения авторами использовался калий хлористый гранулированный.
В рамках биологической рекультивации нарушенных и нефтезагрязненных земель на кислых почвах перед внесением в почву активного ила в сочетании с калийными удобрениями предварительно проводят известкование почв, с целью достижения значений водородного показателя pH, близких к нейтральным, и создания оптимальных условий для развития растений и бактериальных микроорганизмов-деструкторов нефти/нефтепродуктов. Возможно внесение активного ила под вспашку в сочетании с известью.
Потребность в известковании определяют по обменной кислотности (pH солевой вытяжки) в соответствии с нормами внесения кальцийсодержащих удобрений в зависимости от кислотности почвы (таблица 5).
Опытным и расчетным путем установлено, что совместное внесение активного ила в количестве от 8-20 т/га с калием хлористым в количестве 100 кг/га и известью жженой гашеной в количестве 700 кг/га под вспашку на глубину до 20 см повышает урожайность засеянных культур и сохраняет в течение 5 лет устойчивое плодородие рекультивируемых нефтезагрязненных земель.
Наиболее интенсивно разложение углеводородов на нефтезагрязненных землях протекает при ежегодном внесении комплекса азота, фосфора и калия, поэтому на второй и последующий года целесообразно внесение органических и минеральных удобрений на рекультивируемые участки в количестве 1/3 потребности с обязательным известкованием для поддержания оптимального рН-баланса.
Эффективность биологического этапа рекультивации авторы оценивали высевом на экспериментальные площадки яровой пшеницы, поскольку данная агрокультура имеет развитую корневую систему для закрепления, короткий вегетационный период (80-120 суток), произрастает в разных климатических зонах.
На нефтезагрязненных землях производят орошение для улучшения водного режима почв согласно принятым в регионе оросительным нормам. Поддержание почвы во влажном состоянии является одним из агротехнических приемов управления биологической активностью и оказывает эффективное воздействие на темпы разложения нефти/нефтепродуктов. Благоприятный водный режим почвы достигается путем полива. Улучшение водного режима путем полива обусловливает улучшение агрохимических свойств почв, в частности влияет на подвижность питательных веществ, микробиологическую деятельность и активность биологических процессов.
При использовании активного ила в качестве органоминерального удобрения проводят производственный контроль почвы на протяжении всего этапа биологической рекультивации нефтезагрязненных земель по показателям и в сроки, предусмотренные Санитарными правилами и нормами Сан-ПиН 2.1.7.573-96 «Гигиенические требования к использованию сточных вод и их осадков для орошения и удобрения» и ГОСТ Р 54534-2011 «Ресурсосбережение. Осадки сточных вод. Требования при использовании для рекультивации нарушенных земель».
Способ осуществляют следующим образом.
- избыточный активный ил очистных сооружений хозяйственно-бытовых сточных вод стабилизируют, уплотняют, обеззараживают и обезвоживают;
- устанавливают класс опасности избыточного активного ила, который не должен быть выше IV;
- определяют состав и концентрацию биогенных элементов избыточного активного ила;
- проводят расчет дозы вносимого в почву избыточного активного ила и устанавливают достаточность усвояемых форм азота, фосфора и калия;
- устраняют дефицит калия в избыточном активном иле путем внесения в него калийных удобрений;
- проводят известкование нефтезагрязненных земель на кислых почвах до получения значений pH, близких к нейтральным;
- вносят избыточный активный ил с калийными удобрениями в нефтезагрязненные земли под вспашку;
- производят орошение и поддержание почвы во влажном состоянии;
- проводят производственный контроль почвы на протяжении всего этапа биологической рекультивации нефтезагрязненных земель.
Повышение эффективности процесса биологической рекультивации нефтезагрязненных почв путем комплексного использования избыточного активного ила с калийными удобрениями было подтверждено опытом, приведенным в примере.
Пример.
Опыт проводился в апреле-октябре на пяти экспериментальных площадках, засеянных семенами яровой пшеницы из расчета 5,5 млн. семян на 1 гектар (195 кг/га). На каждую площадку было высеяно 17 семян (0,596 г). В подготовленных емкостях с увлажненной смесью грунта и избыточного активного ила делались небольшие бороздки, засевались семена на глубину 5 см, которые затем присыпались грунтом.
Характеристика экспериментальных площадок приведена в таблице 6.
Выбор агрокультуры определялся тем, что яровая пшеница имеет короткий вегетационный период (80-120 суток), произрастает в разных климатических зонах, обладает развитой корневой системой, способствующей закреплению грунта и получению устойчивого травостоя на биологическом этапе рекультивации нефтезагрязненных почв.
В качестве грунта использовалась почва подзолистая, в которую были внесены нефтезагрязнения из расчета 1000 мг нефти на 1 кг почвы. Перед посевом проводилось известкование почвы исходя из расчета 700 кг на 1 га или 23 мг на 1 кг почвы до показателя кислотности pH, равного 6,4.
Для определения количественных показателей компонентов было определено содержание элементов питания в почве и активном иле (таблица 7), а также определена потребность в элементах для питания яровой пшеницы из расчета урожайности 25 ц/га (таблица 8).
При отсутствии атмосферных осадков почва увлажнялась в целях создания условий для прорастания семян. В процессе эксперимента увлажнение площадок проводится 1 раз в 2 дня.
В процессе проведения эксперимента фиксировались и определялись следующие показатели: первые всходы (в сутках после посадки), количество растений (в шт.), всхожесть (в процентах). Через каждые 20 дней после всходов определялась средняя высота (в см) и описывался внешний вид растений. Период созревания фиксировался после появления колосков.
По окончании эксперимента отбирались пробы грунта для определения следующих показателей: калий, азот, фосфор, нефтепродукты (все - в мг/кг), водородный показатель pH водной вытяжки.
Результаты опыта сведены в таблицу 9.
Примечания: 1. Растения слабые, 1-2 стебля, листья светло-зеленого цвета с желтыми пятнами, корневая система плохо развита.
2. Растения хорошо развиты, 2-6 стеблей, листья зеленого цвета, развитая корневая система
3. Растения хорошо развиты, 2-7 стеблей, листья зеленого цвета, развитая корневая система.
4. Растения слабые, 1-3 стебля, листья светло-зеленого цвета с желтыми пятнами, корневая система плохо развита
5. Растения слабые, 1-4 стебля, листья светло-зеленого цвета, корневая система развита.
6. Молочное состояние зерна.
7. Восковая спелость зерна.
8. Восковая спелость зерна.
9. Молочное состояние зерна.
10. Молочное состояние зерна.
Из результатов опыта следует, что внесение активного ила из расчета потребности пшеницы в органическом веществе позволяет получить темпы роста уже в фазе формирования (активного роста, формирования корней и стеблей) и созревания (образование плодов и семян) растения. Биологический этап рекультивации направлен прежде всего на закрепление поверхностного слоя почвы корневой системой растений, создание сомкнутого травостоя.
На подготовительной фазе развития растений формируются стебли и корневая система. Первые всходы появились на 2 и 3 площадке уже на 7 сутки, количество растений 16 единиц, всхожесть на 2 и 3 площадках составила 94,1%, на площадках 4 и 5 первые всходы появились только на 10 сутки, количество растений 12 и 13 единиц соответственно, и всхожесть растений по отношению к засеянному количеству составила 70,6% и 76,5% соответственно.
Лучшие результаты достигнуты на площадках 2 и 3, что явилось следствием внесения большего количества активного ила по сравнению с площадками 4 и 5. Однако на площадке 5 количество растений и всхожесть незначительно увеличилось по сравнению с площадкой 4, что вызвано внесением калийных удобрений.
На фазе формирования темпы роста растений очень быстрые, поэтому ежедневная потребность в запасах питательных веществ в почве повышена.
Перед стадией цветения была проверена корневая система растений. На площадках 2 и 3 по сравнению с площадками 1, 4 и 5 растения хорошо развиты, имеют 2-7 стеблей, листья зеленого цвета, развитая корневая система, что вызвано внесением большого количества ила. Однако на площадках 3 и 5 заметно увеличение количества стеблей (с 6 до 7 и с 3 до 4 соответственно) и средней высоты растений (с 68 до 71 см и 54 до 56 см соответственно) по сравнению с площадками 2 и 4, что может быть вызвано внесением калийного удобрений. На фоновой площадке растения слабые, имеют 1-2 стебля, листья светло-зеленого цвета с желтыми пятнами, корневая система плохо развита, средняя высота растений 42 см.
Результаты опыта позволяют утверждать, что почва с низким содержанием органического вещества, а также без внесения органического удобрения плохо подходит для обеспечения устойчивого роста растений, хорошего травостоя и для целей рекультивации и восстановления плодородия нарушенных земель; недостаточное содержание калия в почве снижает общее количество зеленой биомассы
Фаза образования растения начинается сразу после цветения и длится вплоть до налива зерна и его созревания. В течение этого периода определяются основные компоненты урожая.
На экспериментальных площадках 2 и 3 с высоким содержанием органических и минеральных веществ период созревания наступил соответственно на 37 и 36 сутки после появления колосьев, колосья полностью созрели, имея зерна восковой спелости.
На экспериментальных площадках 1, 4 и 5 с низким содержанием органических и минеральных веществ период созревания наступил позже на 41, 40 и 39 сутки соответственно после появления колосьев, однако колосья не созрели, зерна находились в стадии молочной спелости.
По завершении опыта по биологической рекультивации проведены измерения содержания в почве площадок минеральных элементов питания растений и нефтепродуктов и проанализировано процентное снижение их содержания.
Снижение содержания азота в почве показывает необходимость внесения азотных удобрений в последующие года рекультивации поддержания плодородия почв. Наибольшее снижение содержания азота 34% наблюдалось на площадке №1 (с 1420 мг/кг до 938 мг/кг), на площадках №4 и №5 - по 23 и 22% соответственно, что говорит о необходимости внесения азотных удобрений для поддержания ее плодородия. На участках с высоким содержанием органических и минеральных веществ №2 и №3 снижение азота наименьшее, что свидетельствует о низкой потребности почв во внесении азотных удобрений.
Большой разницы по снижению содержания фосфатов (от 10% на 3 участке до 12% на 2 и 4 участке) в почве площадок не выявлено. Поэтому необходимость внесения в последующие года фосфорных удобрений для поддержания плодородия почвы определяется, исходя из потребности конкретных растений в фосфоре.
Достаточно большое снижение содержания калия на всех площадках (от 26 до 35%) объясняется большой потребностью растений в этом элементе, а также связано с вымыванием легко растворимых форм калия из почвы.
Наибольшее снижение калия (35%) зафиксировано на экспериментальной площадке №1, принятой в качестве фона. Экспериментально установлено, что на площадках 2 и 3 с внесением большого количества ила снижение содержания калия было наименьшим и составило соответственно 26 и 32%. Это свидетельствует о способности активного ила удерживать калий в почве.
Выявлено снижение содержания нефтепродуктов на всех площадках (от 1,6 до 4,8%). Наименьшее снижение содержания нефтепродуктов (1,6%) зафиксировано на площадке №1, а наибольшее снижение (4,6 и 4,8%) - соответственно на участках №2 и 3 с большим внесением активного ила, что в 3 раза больше, чем на площадке №1, принятой в качестве фона.
На площадках №4 и 5 с меньшим содержанием активного ила также выявлено снижение содержания нефтепродуктов на 3,8 и 3,6% соответственно, что в 2,4 раз больше, чем на фоновой площадке №1, что объясняется влиянием биоценоза активного ила на деструкцию нефтяных загрязнений.
Результаты опыта подтверждают повышение эффективности процесса биологической рекультивации нефтезагрязненных почв с помощью внесения избыточного активного ила очистных сооружений хозяйственно-бытовых сточных вод, образующегося на очистных сооружениях хозяйственно-бытовых сточных вод, с калийными удобрениями.