Под мелиорацией понимается система организационно-хозяйственных и технических мероприятий, направленных на улучшение земель в целях создания наиболее благоприятных условий для развития сельского хозяйства или общего оздоровления природной среды.
Мелиорация не только повышает продуктивность сельского хозяйства, но и создает базу для его устойчивого развития в различные по погодным условиям годы во всех природных зонах, обеспечивает гарантированные высокие урожаи сельскохозяйственных культур.
Объектами мелиорации были земли:
• с неблагоприятными условиями водно-воздушного режима (болота и заболоченные земли, засушливые степи, полупустыни и пустыни);
• земли с неблагоприятными физическими и химическими свойствами (засоленные, тяжелые глинистые почвы, пески и т. д.);
• земли, подверженные механическому воздействию воды или ветра (овраги, легко размываемый почвенный покров, склоновые территории), на которых осуществляются противоэрозионные мероприятия.
В зависимости от объекта и способа воздействия на почву и растения различают гидротехническую, агротехническую, лесотехническую, химическую и культуртехническую мелиорацию.
Наиболее существенное влияние на улучшение природных условий для развития сельскохозяйственных растений оказывает гидротехническая мелиорация (орошение, обводнение и осушение), изменяющая водно-воздушный режим почвы. Для этого строятся оросительные и осушительные каналы, трубопроводы, создаются водохранилища и плотины.
Агротехническая мелиорация изменяет физические и химические свойства почвы, содержание различных питательных элементов и обеспечивает в конечном итоге повышение ее плодородия. Она включает различные виды вспашек, почвоуглубление, залужение крутых склонов, улучшение лугов и пастбищ, снегозадержание.
Под лесотехнической мелиорацией подразумевается улучшение земель путем выращивания древесной растительности. Сюда относятся облесение местности, закрепление движущихся песков, создание защитных лесных полос и т. д.
Химическая мелиорация применяется для улучшения свойств земель путем внесения химических препаратов.
Культуртехническая мелиорация позволяет улучшать состояние поверхности почвы путем удаления камней, пней, кустарника, планировки поверхности.
Химическая мелиорация почв. Целью такой мелиорации является коренное улучшение состава, структуры и химических свойств почв и, как следствие, сохранение и повышение их плодородия. Наряду с устранением природных неблагоприятных агрохимических показателей почв в задачи химической мелиорации (особенно в последнее время) входит предотвращение или ослабление отрицательных последствий интенсификации сельского хозяйства — длительного орошения и осушения, массового применения химических средств защиты растений и т. п., которые нередко приводят к ухудшению гумусного состояния почв, их структуры, кислотно-основных и других характеристик.
Объектами химической мелиорации являются прежде всего ионообменные и коллоидно-химические свойства почвы, ее кислотно-основные характеристики, солевой и микроагрегатный состав; все они во взаимосвязи определяют химико-мелиоративное состояние почвы.
Реакция почвенного раствора. В зависимости от реакции почвенного раствора почвы обычно подразделяются на шесть групп: сильнокислые (рН 3-4), кислые (рН 4-5), слабокислые (рН 5-6), нейтральные (рН 6-7), слабощелочные (рН 7-8) и сильнощелочные (рН 8-9). На территории нашей страны широко распространены почвы, относящиеся к трем первым группам, а также солонцовые и карбонатные почвы с повышенной щелочностью.
Кислотностью почвы называется ее способность подкислять воду или растворы гидролитически нейтральных солей. Различают актуальную и потенциальную кислотность почвы. Под актуальной понимают кислотность почвенного раствора; потенциальная кислотность характерна для твердых фаз почвы. Поскольку между составом и свойствами почвенного раствора и твердых фаз существует тесная взаимосвязь, между актуальной и потенциальной кислотностью в почве сохраняется подвижное равновесие:
Н+тв.ф. ⇄ Н+почв.р.
Концентрация ионов в почвенном растворе, определяющая актуальную кислотность, зависит от присутствия в нем свободных кислот и кислых солей и степени их диссоциации и выражается через значения рН, определяемые в почвенном растворе или водной вытяжке из почвы.
Механизм формирования потенциальной кислотности более сложен. Можно считать, однако, что при ее формировании участвуют факторы, перечисленные ниже.
• Кислотность органических почвенных коллоидов определяется главным образом присутствием в почвенном поглощающем комплексе (ППК) водородных ионов, которые легко поступают в раствор и вступают в обменные реакции с основаниями и нейтральными солями:
[ППК]n+H++ Ca(OH)2⇄[ППК] - Ca2+ + 2H2О
[ППК]n+H++ 2KCl⇄[ППК]k+k+ + H++ 2Cl
• Кислотность минеральных коллоидов определяется главным образом наличием в обменном состоянии катионов алюминия:
[ППК]= Al3++3KCl⇄[ППК] – K++AlCl3
[ППК]= Al3++3KCl
Образовавшийся хлорид алюминия подвергается гидролизу:
AlCl3+H2O⇄AlOHCl2+H++Cl-
в результате чего почвенный раствор подкисляется.
Кислотность, обусловленная катионами алюминия, весьма опасна. Прежде всего, сам алюминий токсичен для большинства растений, кроме того, алюминий поступает в почвенный раствор из кристаллической решетки глинистых минералов и его растворение постепенно разрушает минеральный «скелет» почвы. Поэтому чтобы предохранить от разрушения почвенные минералы, необходимо заранее создать в почве среду, в которой алюминий почвенных минералов не переходит в раствор.
Химико-мелиоративное улучшение ППК. Теоретические основы химической мелиорации почв были заложены работами известного почвоведа-химика К.К. Гедройца, который установил связь между ППК и процессом почвообразования и выявил первостепенную роль ППК в создании агрономически ценных почвенных структур. Анализируя химическое состояние почв зонально-генетического ряда, ученый выделил среди них почвы черноземного типа, для которых характерна насыщенность ППК кальцием и магнием при резком преобладании кальция. Именно таким характером поглощающего комплекса ученый объяснил благоприятные агрохимические характеристики черноземных почв. Отрицательные агрохимические свойства кислых почв он связывал с насыщенностью их ППК катионами водорода и алюминия, а плохие химические и водно-физические характеристики солонцовых почв — насыщением их ППК катионами натрия. Поэтому необходимо создать у солонцовых и кислых почв состав обменных катионов, близкий к составу черноземов.
Основным мероприятием, изменяющим неблагоприятный состав ППК мелиорируемой почвы, является внесение в нее кальцийсодержащих веществ или веществ, способных мобилизовать кальций, входящий в состав малорастворимых почвенных солей. Вытеснение катионов водорода, алюминия, натрия из ППК мелиорируемых почв и замена их катионами кальция приводит к улучшению агрохимических характеристик почвы, повышению эффективности внешних удобрений.
Известкование кислых почв. Известно, что большая часть пахотных земель территории Беларуси относится к так называемым кислым почвам, ППК которых насыщен катионами водорода и алюминия. Например, лесные формируются в условиях избыточного увлажнения, где существенное превышение атмосферных осадков над испаряемостью создает промывочный режим и способствует вытеснению катионами водорода из поглощающего комплекса почвы обменных катионов кальция и магния:
[ППК]= Са2++2Н+⇄[ППК] +Са2+
В результате формируются твердые почвы, бедные кальцием и отличающиеся неблагоприятными агрохимическими свойствами и низким плодородием. Для их улучшения необходимо изменить направление почвообразовательного процесса в сторону искусственного обогащения ППК катионами кальция.
При распахивании целины потери кальция из почвы возрастают за счет выноса его вместе с урожаями сельскохозяйственных культур. При среднем урожае зерновых почва теряет 20-30 кг Са2+ с 1 га, с пропашными культурами - 60-70, с кормовыми культурами — до 200-400 кг/га ежегодно. Интенсификация сельского хозяйства, включающая массовое применение минеральных удобрений, которые в большинстве представляют собой гидролитически кислые соли, также способствует повышению кислотности почв.
Кислые почвы нуждаются в коренной химической мелиорации, прежде всего известковании, т. е. внесении мелиорантов, содержащих СаСО3. Установление потребности почвы в известковании и определение необходимых доз известковых материалов основываются на предварительном изучении почвенной кислотности, на практике их доза колеблется от нескольких до десятков тонн мелиоранта на гектар.
В качестве известковых мелиорантов используются различные карбонатные породы, а также промышленные отходы. Основное действующее вещество таких мелиорантов - карбонат кальция СаСО3 - практически нерастворим в воде, однако под влиянием содержащегося в почве СО2 он постепенно переходит в раствор в виде Са(НСО3)2:
CaCO3+H2O+CO2⇄Ca(HCO3)2
Гидролизуясь, гидрокарбонат кальция образует Са(ОН)2:
Са(НСО3)2 + 2Н2О = Са(ОН)2 + 2Н2О + СО2↑,
который нейтрализует кислотность почвенного раствора и вытесняет катионы водорода из ППК согласно схеме:
[ППК]н+н+ + Са(ОН)2 [ППК] = Са2+ + 2Н2О.
Таким образом, известкование не только изменяет актуальную кислотность (рН), но и улучшает другие агрохимические характеристики почвы: снижается ее гидролитическая кислотность, возрастают степень насыщенности основаниями и содержание поглощенного кальция. Повышение рН почвенного раствора до значений, близких к нейтральному (6,0-6,5), значительно повышает эффективность минеральных удобрений: мочевины, аммиачной селитры, хлорида и сульфата аммония. Одновременно кальций, внесенный с известью, способствует коагуляции почвенных коллоидов, улучшает микроструктуру почвы, повышает ее водопрочность; в ней возрастает водопроницаемость и улучшается аэрация.
Мелиорация солонцовых почв. Солонцовыми называют почвы, содержащие большое количество обменного натрия (иногда магния) в ППК. Их образование вызвано рядом причин. Например, в зоне недостаточного увлажнения для орошения почв степных и сухопутных районов используются воды рек и водохранилищ, которые обычно содержат заметные количества натриевых солей. Такие воды при поливе смещают химическое равновесие в системе ППК — почвенный раствор в сторону обогащения почвы обменным натрием
[ППК]= Ca2++Na2SO4⇄[ППК]Na+Na+ +CaSO4
что приводит к осолонцеванию орошаемых почв, то есть к насыщению их ППК ионами натрия, и рН достигает 9-10. Низкое естественное плодородие солонцовых почв объясняется прежде всего их отрицательными водно-физическими и механическими характеристиками. Так, при насыщении натрием в почве уменьшается содержание агрономически ценных фракций с размерами частиц от 0,25 до 0,001 мм и, напротив, резко возрастает содержание коллоидов. Водопроницаемость солонцов низка, и большая часть влаги остается недоступной растениям. ППК солонцовой почвы легко распадается под воздействием воды с выделением кремниевой кислоты и оксидов железа и алюминия, что делает нецелесообразным проведение орошения. Наконец, для таких почв характерны невысокое содержание подвижных соединений фосфора, а также недостаток кальция в почвенном поглощающем комплексе. Все эти свойства солонцов делают их непригодными для использования в сельском хозяйстве без предварительной химической мелиорации.
Радикальным и широко распространенным на практике методом химической мелиорации солонцовых почв является их гипсование, т. е. внесение в почву в качестве мелиорирующего средства гипса CaSО4·2H2О. При этом в почве протекает реакция
[ППК] Na+Na+ + CaSO4⇄[ППК]=Ca2++ Na2SO4
Удаление натрия из ППК и насыщение его кальцием способствует коагуляции почвенных коллоидов, улучшает структурно-механические и физико-химические свойства почв и одновременно нейтрализует ее щелочность, т.е. снижает рН.
Непременным условием успешной мелиорации является последующее удаление Na2SО4 из корнеобитаемых горизонтов почвы во избежание ее вторичного засоления. Это достигается лишь достаточным естественным увлажнением или проведением специальной промывки.
Кислование солонцов, т.е. обработка разбавленными растворами сильных минеральных кислот (H2SО4, HCl, HNО3), приводит к их радикальному улучшению: происходит нейтрализация щелочности, разложение почвенных карбонатов с переходом их в более растворимые сульфаты и гидрокарбонаты. Образующийся CaSО4 вытесняет обменный натрий из ППК:
СО 2↑
Na2CО3 + H2SО4 = Na2SО4 + H2CО3
Н2О
2СаСО3 + H2SО4 = Са(НСО3)2 + CaSО4
СО 2↑
СаСОэ + H2SО4 = CaSО4 + H2CО3
Н2О
[ППК]Na+Na+ + CaSО4 ⇄ [ППК] = Са2+ + Na2SO4.
В результате этих процессов происходит коагуляция гидрофильных коллоидов, улучшаются фильтрационные свойства почвы, ее кальциевый и питательный режимы.
Наряду с серной кислотой для мелиорации почв солонцового засоления успешно применяется сульфат железа FeSО4. Он является кислой солью, которая при взаимодействии с водой образует гидроксид железа (II) и серную кислоту. Последняя воздействует на солонцовые почвы по механизму, описанному выше. Эффект применения мелиоранта усиливается дополнительным коагулирующим воздействием гидроксида железа.
Одним из методом химической мелиорации почв является силикатирование — внесение в почву силикатов (в основном, кремниевой кислоты), — имеющее целью повышение количества отрицательно заряженных коллоидов почвы. Силикатирование способствует усилению поглощения катионов и ослаблению связывания фосфат-ионов. Это обстоятельство повышает усвояемость фосфора растениями.
Защита почв от химического загрязнения. Как известно, почва имеет значительную емкость поглощения по отношению к химическим загрязняющим веществам. В ней протекают процессы трансформации различных соединений, в том числе и экологически опасных. При этом возможно превращение их в малотоксичные, инертные или малодоступные для растений соединения. Однако, несмотря на протекторные свойства почвы, существуют пределы и уровни техногенного воздействия на почву, превышение которых приводит к необратимым последствиям.
Эффективный прием, снижающий подвижность тяжелых металлов и способствующий закреплению их в малоподвижной, недоступной растениям форме, — известкование. Этот прием носит зональный характер, и его успешно применяют в районах с избыточным увлажнением, особенно на почвах с повышенной концентрацией водорода, подвижного алюминия, железа, марганца.
Органическое вещество - прекрасный инактиватор тяжелых металлов в почве. Оно повышает буферность почвы, способствует снижению токсического действия тяжелых металлов, концентрации солей в почвенном растворе, уменьшению фитотоксичности многовалентных тяжелых металлов и препятствует поступлению их в растения. Поэтому наиболее простой способ улучшения песчаных и легкосуглинистых почв — внесение высоких доз органических удобрений.
При рекультивации легких почв, загрязненных тяжелыми металлами, в качестве эффективного приема иногда применяют глинование — внесение глин, содержащих алюмосиликаты типа монтмориллонита.
В последние годы более распространено использование природных сорбентов, таких как цеолиты (например, клиноптиллолит). Исследования показали, что наибольшую эффективность цеолиты проявляют на сильнозагрязненных почвах, значительно влияя на снижение подвижности тяжелых металлов, причем действие цеолитов усиливается при внесении навоза или различных нетрадиционных удобрений.
Возможен и другой путь снижения фитотоксичности тяжелых металлов - с помощью ионообменных смол, содержащих карбоновые и гидроксильные группы, которые вносят в загрязненную почву в виде гранул или порошка.
Существенного уменьшения фитотоксичности можно добиться таким эффективным приемом восстановления почв, как химическое осаждение. При химическом осаждении происходит образование труднорастворимых солей, например ортофосфорной или угольной кислот, с катионами тяжелых металлов.
Этот прием наиболее эффективен при сильном техногенном загрязнении почв, так как для образования труднорастворимого осадка необходима высокая концентрация ионов металлов.
В качестве способа рекультивации загрязненных почв часто рекомендуют внесение фосфорных удобрений, что позволяет одновременно восполнить недостаток фосфора, помимо основной задачи, — снижения фитотоксичности тяжелых металлов.
Кроме физических и химических приемов по восстановлению загрязненных тяжелыми металлами почв, используют различную устойчивость растений к высокому содержанию тяжелых металлов. Такие растения встречаются как среди дикорастущих, так и среди культурных видов, например хлопчатник, свекла, некоторые бобовые и лекарственные растения.
Этот метод удаления токсичных металлов из верхнего слоя почвы (глубина до 30-50 см) при помощи специально подобранных растений называется фитоочисткой.
Тяжелые металлы, например никель, хром, поглощаются корнями, стеблями и листьями растений, которые затем собираются и подвергаются захоронению на полигонах.
Фитоочистка может применяться не только для удаления из почв металлов, но и пестицидов, растворителей, взрывчатых веществ, нефти и т. п.
Эффективным способом борьбы с радиоактивным загрязнением почв является закрепление радионуклидов органическим веществом с образованием нерастворимых комплексов (хелатов). Вбольшинстве почв повышение рН, количества обменного калия и кальция способствует сорбции радионуклидов (например, стронция-137). Глинистые минералы хорошо фиксируют такие радионуклиды, как стронций, цезий.
В ряде случаев, например при очень высокой степени загрязнения относительно небольших количеств почвы или почвогрунта, целесообразно применять промывку. Лучше всего поддаются промывке песчаные почвы, хуже — илистые или глинистые.
Если загрязнение глубоко проникло в почву и его трудно ликвидировать или собрать, целесообразно в экологическом аспекте применить способ, разработанный в Швеции. Он заключается в устройстве гидроизолирующего слоя поверх подземного загрязнения.
Устроен гидроизолирующий слой следующим образом. На загрязненную почву укладывается слой глины, который предназначен для предотвращения выделения вредных газов от загрязнителя. Глина может покрываться сверху слоем прочного синтетического материала, например полиэтилена (геомембрана), предназначенного для предотвращения проникновения воды. Поверх геомембраны может быть уложен дренажный слой из гравия и, при необходимости, дренажных труб. Сверху укладывается слой почвы и засевается трава, которая своей корневой системой поглощает влагу.
При помощи гидроизолирующего слоя, способного выполнять свои функции многие годы, решаются следующие задачи:
1) предотвращение вымывания загрязнения дождями и во время таяния снегов, что предотвращает попадание вредных веществ в водозаборы, поверхностные и грунтовые воды;
2) исключение раздувания вредных веществ, находящихся в сухом состоянии;
3) предотвращение контактов людей и животных с токсикантами.
Для очищения почв от остаточных количеств пестицидов используют целый комплекс мер: внесение активированного угля и специальных белковых либо синтетических органических препаратов, поглощающих пестициды либо способствующих их быстрому разложению, а также внесение специфических видов микроорганизмов в почвы. Для очищения почв, например от атразина, используют посевы кукурузы, сорго, сахарного тростника на фоне высоких доз органических и минеральных удобрений.
Впоследнее время широко используется разведение и выпуск в агросистемы насекомых-хищников: божьей коровки, жужелицы, муравьев и др. (биологическая защита), внедрение в природные популяции видов или особей, которые не способны давать потомство (генетическая защита) и т.д.
Вряде стран Европы и в США организована система биологического земледелия, при которой полностью исключено применение пестицидов и минеральных удобрений с получением «экологически чистых» продуктов. Только в США в 1997 г. таких ферм насчитывалось более 50 тыс. и число их растет.
Борьба с аварийными разливами нефти и нефтепродуктов. Серьезной экологической проблемой является загрязнение почв нефтью и нефтепродуктами, она особенно остра в таких нефтедобывающих регионах Беларуси. Часто причинами загрязнения становятся аварии на магистральных и внутрипромысловых нефтепроводах. Вследствие этого, например, в отдельных районах концентрации нефтяных углеводородов в почвах превышают фоновые в сотни раз.
Значения предельно допустимых концентраций (ПДК) нефтепродуктов для почв пока не определены. Исключение составляет бензин, ПДК которого составляет 0,1 мг/кг почвы.
В табл. 29 приведена классификация нефтезагрязнений почв сельскохозяйственного назначения в зависимости от содержания в них нефтепродукта.
В соответствии с нормативными документами почвы, загрязненные нефтепродуктами, относятся к 3-му классу токсичности.
Для водных объектов установлены следующие значения ПДК нефтепродуктов:
• для водоемов питьевого значения - 0,1 мг/дм3;
• для водоемов рыбохозяйственного значения - 0,05 мг/ дм3.
Таблица 29
Классификация нефтезагрязнений почв сельскохозяйственного назначения в зависимости от содержания в них нефтепродукта
| Уровень | Содержание нефтепродукта в почве, мг/кг почвы | Классификация нефтезагрязнений |
| Менее 1000 | Допустимый | |
| От 1000 до 2000 | Низкий | |
| От 2000 до 3000 | Средний | |
| От 3000 до 5000 | Высокий | |
| Свыше 5000 | Очень высокий |
Локализация нефтезагрязнений почв. Вполне естественно, что в первую очередь после аварийного разлива нефтепродуктов следует ограничить их распространение по поверхности земли, чтобы не допустить попадания в водоемы, а также испарения нефтепродуктов, следствием которого может стать его воспламенение; фильтрации его в более глубокие почвенные и грунтовые слои земли; растекания на поверхности почвы.
Механические методы (обваловка загрязненного участка, обнесение его какими-либо заграждающими средствами, например бревнами, хворостом, трубами и т.п.) способствуют ограничению растекания нефтепродуктов в направлении пониженных участков ландшафта, препятствуя тем самым увеличению площади загрязнения.
Использование физико-химических методов требует наличия специальных химических веществ и позволяет:
• экранировать поверхность испарения разлитого нефтепродукта, что предотвращает его испарение и загорание;
• превратить разлитый нефтепродукт в гелеобразное или твердое состояние, исключающее его текучесть;
• обрабатывать почву с целью защиты от нефтепродукта.
Для указанных целей разработаны рецептуры гелеобразных пен на основе поливинилового спирта с добавками хлорида железа и ускорителя гелеобразования — оксида цинка ZnO. Широко применяются российские пенообразователи «Форэтол» и «Универсальный», а также фторсодержащие пенообразователи типа «Легкая вода» (США). Они эффективно препятствуют испарению разлитого нефтепродукта.
Загущение нефтепродукта может быть достигнуто путем применения связывающих материалов, как правило, сорбентов. Разработан состав, который позволяет отвердить разлитые нефтепродукты. В его составе содержится 50% и более активированного угля, 10% оксида магния или органофильной глины, 50% гидрофобного полимера с молекулярной массой 5000-30000 (например, полиакриловой кислоты), 10% оксида алюминия или кремния, 5% силиката магния.
Осуществить защиту почвы от проникновения в нее нефтепродукта можно путем ее обработки водным раствором нетоксичного полимера — Na-соли полиакриловой кислоты.
Сбор разлившихся нефтепродуктов. Соответствующие методы подразделяются на механические и физико-химические.
Механические методы предусматривают использование специального оборудования, которое позволяет собрать нефтепродукт с почвы в исходном (жидком) состоянии. В качестве такого оборудования выступают, например, установки вакуумного типа, работающие по принципу пылесоса. В частности, вакуумные установки «ВАУ-1» и «ВАУ-2» имеют производительность 2 и 4 м3 в час соответственно.
Указанные установки позволяют обеспечить сбор нефтепродуктов в срочном порядке при любых масштабах его разлива, причем в труднодоступных местах. Собранный нефтепродукт после регенерации вновь может быть использован по прямому назначению.
Наиболее распространенным и доступными среди физико-химических методов является сорбционный, предусматривающий использование сорбирующих материалов — опилок, торфа, песка и др. Нефтепродукт при этом собирается в связанном сорбентом виде. Указанные сорбенты эффективны при относительно небольших разливах нефти и нефтепродуктов.
При значительных аварийных разливах используют обычную землеройную технику, с помощью которой создают нефтепочвенную смесь, которую в дальнейшем перевозят автотранспортом на полигоны временного хранения.
Снижение концентрации разлитого нефтепродукта в почве до приемлемого уровня. Методы снижения остаточной концентрации нефтепродукта в почве до экологически приемлемого (в частности, исключающего его попадание в грунтовые воды) уровня подразделяют на физико-химические и биологические.
Физико-химические методы. К таковым относятся термические, химический, экстракционный методы, а также дренирование почвы.
Термические методы основаны на сжигании загрязненной почвы, либо предварительно удаленной с места разлива нефтепродукта, либо на месте.
Одной из применяемых схем является сжигание почвы во вращающейся печи с камерой дожигания, системой утилизации тепла и многоступенчатой очисткой топочных газов. Первоначально в мельнице с помощью проходящих через нее горючих газов проводится сушка и одновременное измельчение загрязненной почвы с получением фракции 0-10 мм. При этом большая часть токсичных веществ переходит в газовую фазу. После сушки почва совместно с газовой фазой обрабатывается при 1000-1200°С в оснащенном газовой горелкой устройстве. С помощью циклонного сепарирования материал отделяется от газовой фазы, которая возвращается в цикл для полного разложения ядовитых веществ. После обеззараживания почва возвращается на прежнее место.
Термическую обработку почвы можно проводить во вращающейся печи. Среднезагрязненная почва обрабатывается при температуре 700-800°С, а сильно загрязненная — в печи «кипящего» слоя, работающей на углеводородном топливе, при 900°С. Такие установки успешно используют в странах Западной Европы, США и Канады.
В Голландии используют установку, включающую вращающуюся печь, а в Канаде очищают загрязненный гравий путем обжига его в печи с «кипящим» слоем материала. Это позволяет полностью удалить нефтепродукт с гравия при экологически приемлемом химическом составе отходящих газов.
Метод сжигания обеспечивает высокую интенсивность процесса, эффективное выгорание нефтепродуктов при любых уровнях загрязнения ими почвы. В то же время следует отметить и серьезные его недостатки:
• метод требует развертывания специального оборудования, больших энергозатрат;
• большие капитальные затраты на строительство печи и многоступенчатой системы очистки топочных газов, т. к. сжигание сопровождается интенсивным образованием микрочастиц;
• большое количество захораниваемых шламов, связанных с необратимостью изменений почвы при сжигании;
• значительно увеличиваются сроки естественного восстановления почвы;
• происходит образование канцерогенных веществ при высокотемпературных процессах.
Химический метод основан на превращении токсичных углеводородов нефтепродуктов в относительно нетоксичные соединения либо на отверждении токсичных веществ в виде твердого вещества или геля.
В России, например, разработан препарат «Эконафт», который эффективно применяется для химического обезвреживания и нейтрализации токсичных отходов. Он включает в свой состав негашеную известь СаО, которая способна при гашении увеличивать удельную поверхность в 15-30 раз. Образуется вяжущая масса, активно поглощающая углеводороды нефти. В результате образуется сухое, стойкое при хранении порошкообразное вещество.
В США применяют пероксид водорода Н2О2 для обработки загрязненных нефтепродуктами почв, грунтов и гравия.
Экстракционный метод, обладающий высокой эффективностью, основан на извлечении нефтяных углеводородов из почвы с помощью специально подобранных избирательных экстрагентов (растворителей).
В качестве экстрагентов применяются легкие фракции нефтепродуктов, горячая вода, перегретый водяной пар, моющие средства и т. д.
Основными этапами экстракционного метода являются: гомогенезация и измельчение загрязненной почвы; смешивание почвы с экстрагентом при определенных условиях; сушка суспензии, выводимой из экстракционной системы.
Процессы осуществляются на специальных установках (очистных комплексах), собранных, как правило, по модульному принципу.
Для очистки загрязненных почв от нефтепродуктов методом экстракции разработаны экологически чистые и относительно дешевые моющие средства (МС). Примером МС является чистый полимер - модифицированный «Унифлок». Применение в составе МС водорастворимого нетоксичного полимера способствует восстановлению азотного равновесия в почве.
Дренирование почвы заключается в ее промывке на месте с помощью дренажных систем; по сути это разновидность экстракционного метода.
Биологические методы. Относительно широко распространены в природе микроорганизмы, способные разлагать углеводородные соединения нефти с получением экологически нейтральных веществ: СО2, Н2О, и др. Это свойство указанных микроорганизмов и положено в основу биологических методов борьбы с нефтяным загрязнением почв.
Имеется два направления в решении указанной проблемы:
1) повышение активности естественной микрофлоры почв путем создания для аборигенных микроорганизмов оптимальных условий жизнедеятельности;
2) интродукиия (внедрение) в загрязненную почву специально подобранных активных разрушителей нефтепродуктов, так называемых деструкторов.
Первое направление реализуется следующими агротехническими приемами:
• распашкой загрязненных территорий, чем создаются оптимальный газовоздушный и тепловой режим в почве, увеличение численности микроорганизмов-деструкторов и их активности, повышение энергии биохимических процессов;
• аэробной биокоррекцией загрязненных почв, что достигается нагнетанием кислорода на требуемую глубину (в этом случае можно отказаться от распашки);
• обеспечением загрязненных почв биогенными элементами — азотом, фосфором, калием. Установлено, что особенно увеличивается скорость биохимического окисления углеводородов нефти при внесении нитратов и фосфатов;
• повышением температуры загрязненной почвы до 20-40°С, при этих условиях резко ускоряется разложение нефтепродуктов. Поэтому рекомендуется покрывать загрязненный участок темной полиэтиленовой пленкой;
• поддержанием почвы во влажном состоянии, что усиливает активность микроорганизмов-деструкторов;
• поддержанием оптимальной (близкой к нейтральной) кислотности почвенного раствора. Поэтому для создания оптимального рН кислые почвы известкуют мелом СаСО3, а щелочные — обрабатывают слабыми растворами серной кислоты (0,5-1,0%) или гипсом CaSО4 ·2H2О.
Высокоэффективным приемом обезвреживания почв от нефтепродуктов является посев в нефтезагрязненную почву определенных растений, например люцерны и других трав. Своей развитой корневой системой они способствуют улучшению газовоздушного режима почвы, обогащают ее азотом и биологически активными соединениями. Этот метод разложения вредных веществ в почве называется фитодетоксикацией.
В настоящее время в экономически развитых странах, где проблема нефтезагрязнений стоит остро, большое внимание уделяется интродукции как наиболее эффективному методу в сочетании с относительно невысокой стоимостью и экономичностью.
За последние годы ученым удалось создать фонд экологически полезных микроорганизмов, предназначенных для производства биопрепаратов с последующим их использованием в целях очистки почв от нефтезагрязнений. Все это позволило организовать целую отрасль экологической биотехнологии, основанной на выделении и селекции высокоактивных нефтеокисляющих микроорганизмов, изучении их свойств, разработке технологий производства и последующем применении биопрепаратов для борьбы с нефтяным загрязнением почв, водоемов, грунтов и т. д. Более того, отобраны и скомбинированы в биопрепараты наиболее активные штаммы микроорганизмов — «специалисты» в области деструкции нефти, мазута, дизельного топлива.
Во избежание антогонизма между местным микробиоценозом почвы и внесенными «чужаками» современные биопрепараты готовят на основе выделенных из загрязненной почвы аборигенных микороорганизмов и культивированных для дальнейшего применения при очистке именно данного типа почв.
В результате выполненных обширных исследований разработано большое число препаратов — биодеструкторов нефтепродуктов: «Бациспецин», «Деворойл», «Экойл», «Путидойл», «Нафтокс», «Центрин» и др.
Специалистами шведского агентства оборонных исследований найден способ интенсификации естественных процессов биологической деструкции нефтяных загрязнений путем внесения в почву конского навоза с небольшим количеством сахарного песка. В США разработан стимулятор деятельности местного биоценоза (биопрепарат «UNI-REM»), который облегчает доступность углеводородных молекул нефти для большого числа природных микроорганизмов и расширяет тем самым номенклатуру деструкторов этого загрязнения.
При очистке почвы от нефтепродуктов биопрепараты применяют в комплексе с выше указанными агротехническими мероприятиями, облегчающими условия «работы» микроорганизмов.