Use of activated peat for remediation of soils contaminated with petroleum products

Cover Page

Cite item

Abstract

One of the most serious environmental problem in the Far North of the Russian Federation is the pollution of the territory by oil and oil products. Ecosystems of this region are extremely vulnerable, their remediation after anthropogenic impact, such as spill of fuels, can last for decades. This is the reason for necessity of the development of effective methods for cleaning and restoring oil-contaminated lands. As a result of undertaken laboratory study, the possibility of bioremediation of soils contaminated with oil products using activated peat as a sorbent and organic fertilizer was shown. Two weeks after the addition of activated peat, the content of petroleum hydrocarbons in the soil decreased by 22-47% due to dilution of pollution and improvement of air and nutrient regime. After reclamation, the germination rate of the seeds of a test culture increased by 1,6-3,7 times. The optimum amount of peat required for adding into contaminated sandy soil, depending on the degree of contamination, has also been established. Based on the studies, recommendations for the remediation of the contaminated area of 0.07 ha located in the north-west of the Murmansk region using peat and mineral fertilizers were developed.

Full Text

Введение Деятельность человека и оказываемое им антропогенное воздействие являются наиболее опасными и масштабными факторами, влияющими на окружающую среду. При этом устойчивость экосистем и их способность к восстановлению в условиях техногенного воздействия различна и зачастую определяется природно-климатическими факторами. С этой точки зрения наиболее уязвимыми являются территории Арктической зоны, которые отличаются низкой способностью к самоочищению. Одним из таких регионов, испытывающих большую техногенную нагрузку, - Мурманская область. Наиболее серьезной экологической проблемой Северных регионов России является загрязнение территории нефтью и нефтепродуктами, что обуславливает необходимость разработки эффективных методов очистки и восстановления нефтезагрязненных земель. Значительную долю в загрязнение почвы нефтяными углеводородами (НУ) на территории Мурманской области вносят хранилища нефтепродуктов, автотранспортные предприятия, действующие и расформированные объекты Министерства обороны РФ. Загрязнение происходит в результате нарушения целостности емкостей для хранения нефтепродуктов и при осуществлении технологических операций по их перегрузке. При этом образуются различные по площади локальные разливы нефтепродуктов. Попадание нефтепродуктов на поверхность почвы приводит к деградации органогенного горизонта, невозможности образования гумуса из-за накопления токсичных соединений и угнетения микробного сообщества. Нарушение обменных процессов обуславливает изменение физико-химических параметров (снижение содержания подвижных форм биогенных элементов, увеличение соотношения между углеродом и азотом, изменение микроэлементного состава). Исходные окислительные условия в почвах меняются на окислительно-восстановительные и восстановительные. Также актуальной остается проблема ликвидации накопленного экологического ущерба на участках, загрязненных горюче-смазочными материалами (ГСМ) в результате хозяйственной деятельности, где не проводилась очистка и восстановление нарушенных территорий. Решением данной проблемы может стать технология биоремедиации загрязненных почв и грунтов, основанная на использовании органических сорбентов для активизации процессов биодеструкции НУ. Они выполняют функцию структураторов почв, а также способны снизить пороговые значения токсичности для начала этапа фиторекультивации [1; 2]. В качестве органических сорбентов могут служить торф, плодородные почвы, биокомпосты, сорбенты растительного происхождения, органические отходы [3; 4]. В условиях Крайнего Севера, где отмечается нехватка органических удобрений и отсутствуют условия для подготовки компостов, показана возможность использования торфа [5]. Целесообразность использования торфа подтверждается национальным стандартом Российской Федерации, в котором прописано, что торф может применяться в качестве потенциально плодородной среды или сорбента [6]. Торф при биорекультивации загрязненных земель действует как компонент, улучшающий физические свойства почвы [7; 8]. Происходит снижение фитотоксичности корнеобитаемого слоя за счет разбавления загрязнения и интенсификация разложения НУ в результате улучшения воздушного и питательного режимов очищаемых почв и грунтов [9]. Применение активированного торфа необходимо в случае, если почвы слабогумусированны или представлены минеральным грунтом (песок или глина), а уровень загрязнения достаточно высок [10; 11]. Целью настоящей работы стало исследование в лабораторных условиях эффективности очистки грунтов, загрязненных горюче-смазочными материалами, с применением активированного торфа, а также разработка рекомендаций по рекультивации загрязненного участка, расположенного на территории бывшей воинской части. Материалы и методы Грунт. В лабораторном эксперименте использовали образцы загрязненного грунта, взятого на территории Печенгского района Мурманской области (69°16′ N, 29°28′ E) (рис. 1). Рис. 1. Место отбора образцов загрязненного грунта [Figure 1. Place of contaminated soil sampling] На обследуемом участке находилось одно из подразделений Министерства обороны РФ, расформированное около 20 лет назад. Площадь загрязненного участка, где ранее располагался склад ГСМ, составляет около 0,07 га, поверхность практически лишена органогенного горизонта и представлена песчаной и супесчаной фракцией с большим количеством каменистых включений, плотность грунта - 1300 кг/м3 (рис. 2). Рис. 2. Загрязненный участок на месте бывшего склада ГСМ [Figure 2. Contaminated plot of land at the place of the former fuel and lubricants warehouse] На загрязненном участке почвенным пробоотборником было взято 11 проб грунта из поверхностного слоя 0-10 см, а также пробы с глубин 0-5, 5-10 и 10-20 см. Образцы грунта доставляли в лабораторию, где высушивали до воздушно-сухого состояния. Торф. В качестве сорбента-структуратора использовали торф верховой с низкой степенью разложения, нейтрализованный известью. Торф измельчали до размера частиц не более 10 мм, после чего активировали путем добавления комплексного минерального удобрения - нитроаммофоски (N = 16 %, P2O5 = 16 %, K2O = 16 %) из расчета 500 мг д.в./кг. Активированный торф оставляли на месяц для повышения биодеструктивных свойств аборигенных микроорганизмов. Схема эксперимента. Образцы загрязненного грунта просеивали через сито с диаметром ячейки 2 мм, тщательно перемешивали и увлажняли до 60 % от полной влагоемкости. В образцы добавляли активированный торф в соотношении грунт/торф 4:1 (при содержании нефтепродуктов в грунте менее 20 000 мг/кг) и 2:1 (при содержании нефтепродуктов более 20 000 мг/кг). Целесообразность внесения торфа в данных пропорциях была подтверждена предыдущими исследованиями [11]. Подготовленный грунт выкладывали в пластиковые емкости в равном весовом количестве. Емкости с грунтом находились при комнатной температуре (18-20 °С), полив и перемешивание осуществляли два раза в неделю. Продолжительность лабораторного эксперимента - две недели. Повторность опыта - трехкратная. Определение содержания нефтепродуктов в грунте. Количественный анализ содержания НУ в образцах проводили в соответствии с методикой выполнения измерений массовой доли нефтепродуктов методом ИК-спектрометрии [12]. Оценка фитотоксичности. Уровень фитотоксичности грунта оценивали по показателю всхожести тест-культуры (щавель). На ровную поверхность исследуемого грунта раскладывали по 30 семян испытуемого растения. Фитотоксичность грунта рассчитывали по показателю всхожести семян, выращенных на исследуемом грунте, по отношению к контролю. Определение активности дегидрогеназы. Определение активности почвенной дегидрогеназы проводили колориметрическим методом по интенсивности окраски раствора после восстановления трифенилтетразолия хлористого в красные соединения трифенилформазана [13]. Содержание НУ в грунте, его токсичность и активность дегидрогеназы оценивали до и после проведения рекультивации. Статистическая обработка. Математическая обработка результатов осуществлялась с применением стандартных пакетов программ для статистических вычислений (Microsoft Office Excel 2007). Достоверность различий между выборками (t) оценивали с помощью критерия Стьюдента, коэффициент корреляции (r) вычисляли методом квадратов (метод Пирсона) для уровня значимости 0,05. Результаты и обсуждение Проведение лабораторного эксперимента. Заключение о качестве очистки и восстановления загрязненного грунта делалось на основе результатов анализа количественного содержания НУ в образцах до и после очищения и по результатам тестов на фитотоксичность. В случае отсутствия установленного норматива остаточного содержания нефтепродуктов степень загрязнения оценивают по превышению содержания НУ над фоновым значением в конкретном районе. Содержание НУ в органогенном горизонте почв на фоновых участках в районе проведения исследования составляет 224 ± 39 мг/кг. Анализ образцов показал, что содержание НУ в загрязненном грунте составляет от 2864 ± 358 до 30 847 ± 3856 мг/кг, что в 13-137 раз превышает фоновое содержание НУ. Учитывая, что с момента загрязнения участка прошло более 20 лет, в грунте остались преимущественно высокомолекулярные трудно разлагаемые углеводороды и продукты их трансформации. Исследование вертикального распределения загрязнения показало высокое содержание НУ по всему профилю (более 20 см от поверхности), что указывает на прекращения трансформации углеводородов и их накопление. О прекращении биологического окисления НУ в грунте свидетельствует и уровень активности почвенной дегидрогеназы - фермента, участвующего в процессах деструкции углеводородов. В загрязненном грунте исследуемой площадки активность дегидрогеназы составляла 0,06 ± 0,01 мг ТФФ/10 г, что по шкале сравнительной оценки биологической активности почв оценивается как очень слабая [14]. Через две недели после внесения активированного торфа в загрязненный грунт содержание НУ в опытных образцах снизилось на 22-47 %. При данной величине выборки отмечено достоверное снижение количества углеводородов в образцах с наибольшим (8 и 11) и наименьшим (7 и 10) исходным содержанием НУ (t = 2,93-3,56 при p = 0,05, df = 4) (рис. 3). Рис. 3. Содержание НУ в образцах загрязненного грунта до (А) и после (Б) рекультивации при соотношении грунт/торф 4:1 и 2:1 [Figure 3. Petroleum hydrocarbons content in contaminated soil samples before (A) and after (Б) recultivation at a soil/peat ratio of 4:1 and 2:1] В образцах, где исходное содержание НУ превышало 20 000 мг/кг и соотношение грунт/торф составляло 2:1, содержание углеводородов снизилось в среднем на 10 000 мг/кг (40 %). В менее загрязненных образцах с соотношением грунт/торф 4:1 снижение составило в среднем 3000 мг/кг (35 %). Активность дегидрогеназы в грунте после завершения эксперимента увеличилась в 5 раз и составила 0,31 ± 0,16 мг ТФФ/10 г (слабая активность), что свидетельствует о начале процессов микробиологической деструкции. Значения рН водной вытяжки грунта перед проведением фитотестов находились в оптимальном для произрастания большинства растений диапазоне - 5,7-6,1, что не требовало проведения дополнительного известкования. Результаты проведенных фитотестов указывают на значительное угнетение всхожести тест-культуры. Всхожесть семян щавеля в среднем составляла 7 % от контрольных показателей, а в образцах 5 и 11, где содержание НУ было максимальным, наблюдалась полная гибель семян. После проведения рекультивации фитотесты показали, что всхожесть тест-культуры увеличилась в 1,6-3,7 раза. В образцах с исходным уровнем загрязнения менее 20 000 мг/кг средний показатель всхожести составил 21 ± 2 %, в образцах с высоким уровнем загрязнения (более 20 000 мг/кг) - 16 ±2 %. В образцах, где исходно отмечали полную гибель семян, после внесения торфа всхожесть составила 11-17 % (рис. 4). Рис. 4. Всхожесть семян щавеля в образцах загрязненного грунта до (А) и после (Б) рекультивации при соотношении грунт/торф 4:1 и 2:1 [Figure 4. Germination ability of sorrel seeds in contaminated soil samples before (A) and after (Б) recultivation at a soil/peat ratio of 4:1 and 2:1] Низкий показатель всхожести в загрязненных образцах обусловлен не только высоким содержанием НУ в грунте, но и неблагоприятным водным и питательным режимом - грунт в основном песчаный. Поэтому торф при внесении в такой грунт действует и как сорбент, и как компонент, улучшающий физические свойства почвы. Установлена достоверная сильная отрицательная корреляция между содержанием НУ и всхожестью семян щавеля в образцах грунта (r = 0,07-0,76 при p = 0,05, n = 11). В результате проведения лабораторных экспериментов показан положительный эффект от использования активированного торфа при выполнении биорекультивации загрязненных песчаных грунтов. При содержании НУ в грунте менее 10 000 мг/кг рекомендуется внесение торфа в соотношении грунт/торф 4:1, что является достаточным и эффективным. При более высоком содержании НУ рекомендуется увеличивать соотношение грунт/торф до 3:1 (10 000-20 000 мг/кг НУ) и 2:1 (более 20 00 мг/кг). За короткий период (две недели) удалось снизить содержание НУ на 22-47 %, при этом токсичность почвы по показателям всхожести тест-культуры снизилась. Предложенный метод можно использовать для восстановления загрязненных территорий, в том числе в районах накопленного экологического ущерба в Арктической зоне РФ. Рекомендации по рекультивации загрязненного участка. Рекультивация представляет собой комплекс работ, направленных на восстановление продуктивности и хозяйственной ценности земель, а также на улучшение условий окружающей среды в целом. Говоря о самом процессе рекультивации, принято выделять несколько ее этапов: 1) подготовительный (локализация нефтяного разлива техническими или мелиоративными сооружениями, сбор и удаление свободных нефтепродуктов); 2) технический и агротехнический (сбор и удаление загрязненных почв и грунтов, рыхление и полив почвы, внесение структураторов или сорбентов; 3) биологический (внесение минеральных и органических удобрений, биопрепаратов, фиторекультивация). В рамках ликвидации накопленного экологического ущерба зачастую необходимо проводить рекультивацию локальных загрязнений, где ранее не проводились работы по очистке и восстановлению. На таких участках ввиду длительного времени, прошедшего с момента загрязнения, свободные нефтепродукты на поверхности грунта отсутствуют, и провести их сбор не представляется возможным. Сбор и удаление загрязненных грунтов в данных условиях также затруднительны, поскольку многие объекты находятся на значительном удалении от центров инфраструктуры и характеризуются низкой транспортной доступностью. Загрязненные грунты необходимо вывозить на специальную площадку для хранения и обеззараживания или оборудовать площадку по их обеззараживанию непосредственно на участке проведения работ. При этом площади локальных загрязнений невелики, что делает нецелесообразным транспортировку грунта или применение дорогостоящего оборудования. При использовании торфа сбор и удаление загрязненного грунта можно не проводить или проводить частично на участках, где возможна миграция углеводородов и продуктов их трансформации на сопредельные территории или в водоемы. Перед внесением торфа необходимо определить содержание НУ в грунте и их распределение по глубине для расчета необходимого количества торфа. Его наносят на поверхность грунта с последующим фрезерованием механизированным способом или перемешиванием и рыхлением вручную на глубину распространения загрязнения. Минеральные удобрения на месте проведения работ по рекультивации можно вносить и в торф, и в грунт. Загрязненный участок, где проводились исследования, находится на значительном удалении от центров инфраструктуры, представлен сильно загрязненным песчаным грунтом, имеет небольшую площадь и по своим характеристикам подходит для проведения рекультивации с использованием торфа. Важным фактором будет являться то, что в регионе имеются запасы торфа, который может быть использован для выполнения подобных работ. Среднее содержание НУ в грунте - 14 967 ± 675 мг/кг, глубина загрязнения - 20 см, таким образом, соотношение грунт/торф, согласно проведенным исследованиям, должно быть 3:1. Количество торфа, необходимое для внесения в загрязненный грунт на площади 0,07 га - 60,7 т. На такую массу сорбента необходимо внести 33,4 кг минеральных удобрений в пересчете на действующее вещество. После внесения торфа нужно провести фрезерование участка и по возможности осуществить полив. На следующем этапе целесообразно посеять устойчивые к загрязнению нефтепродуктами травянистые растения с введением в травосмесь местных видов. Этап фиторекультивации может быть выполнен в тот же сезон при положительных результатах фитотестов или перенесен на следующий вегетационный период. Заключение В ходе проведения лабораторного эксперимента с использованием активированного торфа удалось снизить содержание НУ в загрязненном грунте на 22-47 % за две недели. При этом наблюдался рост активности почвенной дегидрогеназы в 5 раз, что косвенно указывает на активизацию микробиологического окисления углеводородов. Установлено оптимальное количество торфа, необходимое для внесения в загрязненный песчаный грунт, в зависимости от степени его загрязнения. При содержании НУ в грунте менее 10 000 мг/кг рекомендуется внесение торфа в соотношении грунт/торф 4:1. При более высоком содержании НУ рекомендуется увеличивать соотношение грунт/торф до 3:1 (10 000-20 000 мг/кг НУ) и 2:1 (более 20 000 мг/кг). После проведения рекультивации всхожесть семян тест-культуры увеличилась в 1,6-3,7 раза. В образцах, где исходно отмечали полную гибель семян, после рекультивации всхожесть составила 11-17 %. В результате исследования была показана эффективность предлагаемого метода рекультивации загрязненных участков, которые представлены сильно загрязненным песчаным грунтом, обладающим низкой биогенной активность, и имеют небольшую площадь.

×

About the authors

Ekaterina A. Adelfinskaya

ITMO National Research University

Author for correspondence.
Email: adelfinskayakate19@gmail.com

master student of the Department of Industrial Ecology and Clean Production

49 Kronverkskii Ave, lit. A, Saint Petersburg, 197101, Russian Federation

Vladimir A. Myazin

Institute of Industrial Ecology of the North - a separate division of the Federal Research Center “Kola Scientific Center of the Russian Academy of Sciences”

Email: myazinv@mail.ru

Candidate of Biological Sciences, senior researcher

14А, Akademgorodok, Apatity, 184209, Russian Federation

References

  1. Seredina VP, Andreeva TA, Alekseeva TP, Burmistrova TI, Tereshchenko NN. Neftezagryaznennye pochvy: svoistva i rekul'tivatsiya [Oil-contaminated soils: properties and remediation]. Tomsk: TPU Publ.; 2006.
  2. Namkoong W, Hwang EY, Park JS, Choi JY. Bioremediation of diesel-contaminated soil with composting. Environ. Pollut. 2002;(119):23–31.
  3. Abioye PO, Aziz AA, Agamuthu P. Enhanced biodegradation of spent motor oil in soil amended with organic wastes. Water Air Soil Pollut. 2010;(209):173–179.
  4. Onibon VO, Fagbola O. Evaluation of bioremediation efficiency of crude oil-polluted soils as influenced by application of composts and NPK fertilizer. Fres. Environm. Bull. 2013;(22):61–66.
  5. Arno OB, Arabskii AK, Bashkin VN, Galiulin RV, Galiulina RA, Alekseev AO, Salbiev TX-M, Serebryakov EP. Patent 2611159 of the Russian Federation. Sposob otsenki effektivnosti rekul'tivatsii posredstvom torfa narushennykh tundrovykh pochv s razlichnoi polnoi vlagoemkost'yu [Method for assessing the effectiveness of reclamation by means of peat of disturbed tundra soils with different moisture capacity]. Bull. Invent. 2017. No. 6.
  6. GOST R 57447-2017. Nailuchshie dostupnye tekhnologii. Rekul'tivatsiya zemel' i zemel'nykh uchastkov, zagryaznennykh neft'yu i nefteproduktami. Osnovnye polozheniya [The best technology available. Reclamation of lands contaminated with oil and oil products. The main provisions]. Moscow: Standartinform Publ.; 2019.
  7. Chukhareva NV, Shishmina LV. Comparison of the sorption properties of peat of high and low types with respect to marketable oil and stable gas condensate. Chemistry of plant raw materials. 2012;(4):193–200.
  8. Burmistrova TI, Alekseeva TP, Stakhina LD, Seredina VP. The study of peat properties to solve environmental problems. Chemistry of plant materials. 2009;(3):157–160.
  9. Galiulin RV, Bashkin VN, Galiulina RA. The decomposition of oil hydrocarbons in the soil under the action of peat compost. Chemistry of solid fuels. 2012;(5):52–53.
  10. Burmistrova TI, Alekseeva TP, Perfilieva VD, Tereshchenko NN, Stakhina LD. Biodegradation of oil and oil products in soil using ameliorants based on activated peat. Chemistry of plant raw materials. 2003;(3):69–72.
  11. Adelfinskaya EA, Belyaev AM. A study of the effectiveness of the microbiological stage of reclamation of oil-contaminated lands. Bulatov readings. 2018;(5):41–45.
  12. PND F 16.1: 2.2.22-98. Kolichestvennyi khimicheskii analiz pochv. Metodika vypolneniya izmerenii massovoi doli nefteproduktov v mineral'nykh, organogennykh, organomineral'nykh pochvakh i donnykh otlozheniyakh metodom IK-spektrometrii [Quantitative chemical analysis of soils. Methodology for measuring the mass fraction of petroleum products in mineral, organogenic, organomineral soils and bottom sediments by IR-Spectrometry]. Moscow; 2006.
  13. Mineev VG. Opredelenie aktivnosti degidrogenazy. Praktikum po agrokhimii [Determination of dehydrogenase activity. Workshop on agrochemistry]. 2nd ed. Moscow: Publishing House of Moscow State University; 2001.
  14. Gaponyuk EI, Malakhov SV. Kompleksnaya sistema pokazatelei ekologicheskogo monitoringa pochv [Integrated system of indicators for environmental monitoring of soils]. Migratsiya zagryaznyayushchikh veshchestv v pochvakh i sopredel'nykh sredakh [Migration of pollutants in soils and adjacent environments]: proceedings of the 4th All-Union conference. Leningrad: Gidrometeoizdat Publ.; 1985. p. 3–10.

Copyright (c) 2020 Adelfinskaya E.A., Myazin V.A.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies