Способ рекультивации почвы, загрязненной нефтью и нефтепродуктами

Изобретение относится к охране окружающей среды, в частности к рекультивации загрязненных нефтью и нефтепродуктами почв. В почву вносят минеральные азотные и фосфорные удобрения с последующим рыхлением на глубину 25-30 см. Одновременно с удобрениями вносят природный высокопористый минерал-мелиорант алюмосиликатной природы, а дозы азотных удобрений рассчитывают по формуле: D=Naz·Kaz, где D - стартовая доза действующего вещества азотного удобрения, кг/га; Naz - показатель отклика азотфиксирующей микрофлоры почвы на внесение нефтепродуктов и природного высокопористого минерала мелиоранта алюмосиликатной природы; Kaz - коэффициент пересчета для конкретного типа почвы, значение которого для темно-серой лесной почвы составляет 20, для торфяной супесчаной - 6 и для дерново-подзолистой среднесуглинистой - 55. Технический эффект - уменьшение затрат на рекультивацию при достижении максимально возможной степени очистки.

 

Изобретение относится к охране окружающей среды, в частности к рекультивации загрязненных нефтью и нефтепродуктами почв в результате аварий и эксплуатационных потерь при добыче, транспортировке и хозяйственной деятельности человека.

Известен способ рекультивации нефтезагрязненных земель (М.З.Гайнутдинов и др. Рекультивация нефтезагрязненных земель лесостепной зоны Татарии // Сборник научных трудов. Современные проблемы биосферы. М.: Наука, 1988. - 177-192 с.). Способ заключается в том, что в загрязненную почву вносятся различные виды минеральных удобрений и навоза, известь и их сочетания на фоне рыхления.

Недостатком способа является большая продолжительность восстановления почвы (при 5%-ной степени загрязнения почвы - до 3 лет, при 10%-ной - до 4 лет), а также внесение высоких доз минеральных удобрений, что экономически невыгодно.

Наиболее близким способом, выбранным за прототип, является способ очистки почвы, загрязненной нефтью и нефтепродуктами (патент РФ 2041172, МПК В 09 С 1/08, опубл. 09.08.95 г.), в котором в почву вводят в смеси с минеральными удобрениями бактериальную культуру. Рекультивируемую площадь запахивают на глубине 25-30 см.

Недостатком способа являются большие затраты на рекультивацию почвы и недостаточно высокая степень очистки, кроме того, он не учитывает уровень исходной азотфиксирующей активности конкретной почвы и неодинаковое влияние различных форм минеральных азотных удобрений и их доз на интенсивность азотфиксации.

Основным техническим результатом предложенного способа является уменьшение затрат на рекультивацию при достижении степени очистки почвы, максимально возможной для конкретного региона, климатической зоны и типа почвы за счет использования азотных минеральных удобрений в оптимальных дозах. Кроме того, способ позволяет восстанавливать почвы с различным уровнем азотфиксирующей активности.

Основной технический результат достигается тем, что в способе рекультивации почвы, загрязненной нефтью и нефтепродуктами, включающем внесение в почву минеральных азотных и фосфорных удобрений с последующим рыхлением на глубину 25-30 см, согласно предложенному решению, одновременно с минеральными азотными и фосфорными удобрениями вносят природный высокопористый минерал-мелиорант алюмосиликатной природы, а дозы азотных удобрений рассчитывают по формуле:

D=Naz·Kaz,

где D - стартовая доза действующего вещества азотного удобрения, кг/га;

Naz - показатель отклика азотфиксирующей микрофлоры почвы на внесение нефтепродуктов и природного высокопористого минерал-мелиоранта алюмосиликатной природы;

Kaz - коэффициент пересчета для конкретного типа почвы, значение которого для темно-серой лесной почвы составляет 20, для торфяной супесчаной - 6 и для дерново-подзолистой средне-суглинистой - 55.

Способ осуществляется следующим образом.

Сухой природный высокопористый минерал-мелиорант алюмосиликатной природы разбрасывают по территории в количестве от 1 до 3 т/га в зависимости от степени загрязнения почвы. Одновременно с природным высокопористым минерал-мелиорантом алюмосиликатной природы вносят минеральные азотное и фосфорное удобрения. Стартовую дозу действующего вещества азотного удобрения рассчитывают по формуле D=Naz·К, где Naz - определяют разницей уровней потенциальной активности азотфиксации почвы и загрязненного участка после внесения природного высокопористого минерал-мелиоранта алюмосиликатной природы (Виноградский С.Н. Почвенная микробиология, 1952), Kaz - подбирают экспериментальным путем. Вид азотных удобрений выбирают с учетом исходного уровня микробиологической азотфиксирующей способности конкретной почвы (Терещенко Н.Н. и др. Биологическая азотфиксация как фактор ускорения микробной деструкции нефтяных углеводородов в почве и способы ее стимулирования. Биотехнология. - №5-2004, с.69-78). Для равномерного распределения природного высокопористого минерал-мелиоранта алюмосиликатной природы и удобрений в объеме загрязненного грунта, а также для усиления аэрации проводят рыхление с помощью экологических машин типа ЭМ-М, ЭМ-4М и ЭМ-ЗБМ на глубину не менее 25-30 см, так как при рыхлении на меньшую глубину в рекультивацию не включается весь загрязненный слой. Если степень загрязнения грунта (15% и более) целесообразно провести повторное внесение природного высокопористого минерал-мелиоранта алюмосиликатной природы с последующим рыхлением. В качестве природного высокопористого минерал-мелиоранта алюмосиликатной природы использовался цеолит и вермикулит различных месторождений.

В примерах 1-3 приведены примеры применения предлагаемого способа для различных видов почв, а в примерах 4-5 - обосновано применение в качестве природного высокопористого минерал-мелиоранта алюмосиликатной природы (цеолита различных месторождений и вермикулита).

Пример 1.

Исходное содержание нефтепродуктов на участке загрязненной темно-серой лесной почвы площадью 1·10⁴ м² составляло 80-90 г на 1 кг почвы, что соответствует 15%-ному уровню загрязнения (от объема почвы). Исходный уровень потенциальной активности азотфиксации (по Виноградскому) почвы на фоновом (незагрязненном) участке составлял 26%. На рекультивируемом загрязненном участке данный показатель возрос до 47%. Внесение природного высокопористого минерал-мелиоранта алюмосиликатной природы (цеолит Пегасского месторождения) в дозе 2 т/га способствовало увеличению активности азотфиксации до 62%, что свидетельствует об активном отклике азотфиксирующей микрофлоры почвы на присутствие нефтепродуктов и внесение цеолита (Naz=2,0-2,4). С учетом климатических условий, типа почвы и отклика микроорганизмов-азотфиксаторов на нефтепродукты для расчета стартовой дозы внесения минеральных азотных удобрений коэффициент Kaz составил 20. При этом стартовая доза азотного удобрения (калийной селитры) составила 40-48 кг действующего вещества на 1 га, что соответствовало 270-320 кг на 1 га. Для оптимизации фосфорного питания углеводород окисляющих микроорганизмов внесли 100-120 кг на 1 га двойного суперфосфата. Для равномерного распределения внесенных компонентов и улучшения аэрации почвы проводили рыхление на глубину не менее 25-30 см. Сразу после внесения в почву природного высокопористого минерал-мелиоранта алюмосиликатной природы одновременно обеспечивается сорбция нефтяных углеводородов и 5-6 кратное увеличение численности углеводородокисляющих микроорганизмов. Уровень активности азотфиксирующих микроорганизмов на 10 сутки после внесения минеральных удобрений и природного высокопористого минерал-мелиоранта алюмосиликатной природы возрос в 2-3 раза и составил 65-68% от потенциально возможного для данного типа почвы. Высокая численность углеводородокисляющих микроорганизмов и активность азотфиксации отмечались на протяжении всего первого месяца рекультивации, по истечении которого содержание нефтепродуктов снизилось до 22-26 г/кг почвы, что соответствовало 72%-ной очистке почвы.

Пример 2. Исходное содержание нефтепродуктов на участке загрязненной торфяной супесчаной почвы площадью 1·10⁴ м² составляло 80-90 г на 1 кг почвы, что соответствует 10-13%-ному уровню загрязнения (от объема почвы). Микробиологическое обследование фонового участка показало низкий уровень азотфиксирующей активности (по Виноградскому) почвы, соответствующий 10-13%. На рекультивируемом загрязненном участке уровень потенциальной активности азотфиксации возрос до 87%. Внесение природного высокопористого минерал-мелиоранта алюмосиликатной природы (цеолит Шивыртуйского месторождения) в дозе 2т/га способствовало увеличению активности азотфиксации до 95-98%, что свидетельствует об активном отклике азотфиксирующей микрофлоры почвы на присутствие нефтепродуктов и внесение природного высокопористого минерал-мелиоранта алюмосиликатной природы (Naz=7,5-9,5). С учетом климатических условий, типа почвы и отклика микроорганизмов-азотфиксаторов на нефтепродукты для расчета стартовой дозы внесения минеральных азотных удобрений был использован коэффициент Kaz=6. При этом стартовая доза азотного минерального удобрения (кальциевой селитры) составила 45-57 кг действующего вещества на 1 га, что соответствовало 300-380 кг. Для оптимизации фосфорного питания углеводород окисляющих микроорганизмов внесли 120-150 кг двойного суперфосфата на 1 га. Для равномерного распределения внесенных компонентов и улучшения аэрации почвы проводили рыхление на глубину не менее 25-30 см. Сразу после внесения в почву природного высокопористого минерал-мелиоранта алюмосиликатной природы одновременно обеспечивается сорбция нефтяных углеводородов и почти 10-ти кратное увеличение численности углеводородокисляющих микроорганизмов. Уровень активности азотфиксирующих микроорганизмов на 10 сутки после внесения минеральных удобрений и природного высококопористого минерал-мелиоранта алюмосиликатной природы возрос на порядок и составил 95-98% от потенциально возможного для данного типа почвы. Высокая численность углеводородокисляющих микроорганизмов отмечалась на протяжении всего первого месяца рекультивации и к концу третьего месяца снизилась в 5-6 раз в связи с труднодоступностью для микроорганизмов тяжелых фракций остаточной нефти. За три месяца рекультивации содержание нефтепродуктов снизилось до 15-20 г/кг почвы, что соответствовало 85-88%-й очистке почвы.

Пример 3.

Исходное содержание нефтепродуктов на участке загрязненной дерново-подзолистой среднесуглинистой почвы площадью 1·10⁴ м² составляло 150 г на 1 кг почвы, что соответствует 25%-му уровню загрязнения (от объема почвы). Исходный уровень потенциальной активности азотфиксации (по Виноградскому) почвы на фоновом (незагрязненном) участке составлял 6-8%. На рекультивируемом загрязненном участке данный показатель соответствовал фоновому. Внесение природного высокопористого минерал-мелиоранта алюмосиликатной природы (цеолит Шивыртуйского месторождения) в дозе 2 т/га способствовало незначительному увеличению активности азотфиксации до 10%, что свидетельствует о слабом отклике азотфиксирующей микрофлоры почвы на присутствие нефтепродуктов и внесение цеолита (Naz=1,25-1,7).

С учетом климатических условий, типа почвы и отклика микроорганизмов-азотфиксаторов на нефтепродукты для расчета стартовой дозы внесения минеральных азотных удобрений был коэффициент Kaz=55, При этом стартовая доза азотного удобрения (азофоски) составила 70-94 кг действующего вещества на 1 га, что соответствовало 440-590 кг. Для оптимизации фосфорного питания углеводород окисляющих микроорганизмов внесли 160-200 кг двойного суперфосфата на 1 га. Для равномерного распределения внесенных компонентов и улучшения аэрации почвы проводили рыхление на глубину не менее 25-30 см. Сразу после внесения в почву природного высокопористого минерал-мелиоранта алюмосиликатной природы одновременно обеспечивается сорбция нефтяных углеводородов и почти 5-6-ти кратное увеличение численности углеводород окисляющих микроорганизмов. На всем протяжении периода наблюдений (3 месяца) уровень активности азотфиксирующих микроорганизмов не превышал 8-11%. За три месяца рекультивации была достигнута 65%-ная степень очистки почвы. Содержание нефтепродуктов в почве не превышало 52-57 г/кг почвы.

Пример 4.

Исходное содержание НП на участке загрязненной темно-серой лесной почвы площадью 1·10⁴ м² составляло 90-100 г на 1 кг почвы, что соответствует 18-20%-ному уровню загрязнения (от объема почвы). Исходный уровень потенциальной активности азотфиксации (по Виноградскому) почвы на фоновом (незагрязненном) участке составлял 32%. На рекультивируемом загрязненном участке данный показатель возрос до 57%. Внесение природного высокопористого минерал-мелиоранта алюмосиликатной природы (цеолит Чанканайского месторождения республики Казахстан) в дозе 2 т/га способствовало увеличению активности азотфиксации до 68%, что свидетельствует об активном отклике азотфиксирующей микрофлоры почвы на присутствие нефтепродуктов и внесение природного высокопористого минерал-мелиоранта алюмосиликатной природы (N=2,0-2,4). С учетом климатических условий, типа почвы и отклика микроорганизмов-азотфиксаторов на нефтепродукты для расчета стартовой дозы внесения минеральных азотных удобрений был использован коэффициент (Kaz), равный 20, а в качестве удобрения была выбрана мочевина. При этом стартовая доза (D) мочевины составила 40-50 кг д.в. на 1 га, что соответствовало 87-110 кг на 1 га удобрения (мочевины с 46%-м содержанием действующего вещества азота). Для оптимизации фосфорного питания углеводород окисляющих микроорганизмов внесли 100-120 кг на 1 га двойного суперфосфата. Для равномерного распределения внесенных компонентов и улучшения аэрации почвы проводили рыхление на глубину не менее 25-30 см.

Сразу после внесения в почву одновременно обеспечил сорбцию нефтяных углеводородов и 6-ти кратное увеличение численности углеводородокисляющих микроорганизмов. Уровень активности азотфиксирующих микроорганизмов на 10 сутки после внесения минеральных удобрений и природный высокопористый минерала-мелиоранта алюмосиликатной природы возрос в 2-3 раза и составил 70-75% от потенциально возможного для данного типа почвы.

Высокая численность углеводородокисляющих микроорганизмов и активность азотфиксации отмечались на протяжении всего первого месяца рекультивации, по истечении которого содержание нефтепродуктов снизилось до 24 г/кг почвы. Это соответствует 76%-й очистке почвы.

Пример 5.

Исходное содержание НП на участке загрязненной торфяной супесчаной почвы площадью 1·10⁴ м² составляло 80-90 г на 1 кг почвы, что соответствует 10-13%-ному уровню загрязнения (от объема почвы). Микробиологическое обследование фонового участка показало низкий уровень азотфиксирующей активности (по Виноградскому) почвы, соответствующий 10-15%. На рекультивируемом загрязненном участке уровень потенциальной активности азотфиксации возрос до 66%. Внесение минерал-мелиоранта алюмосиликатной природы (цеолит Пегасского месторождения) в дозе 2 т/га способствовало увеличению активности азотфиксации до 95-98%, что свидетельствует об активном отклике азотфиксирующей микрофлоры почвы на присутствие нефтепродуктов и внесение минерал-мелиоранта алюмосиликатной природы (N=7,5-9,5). С учетом климатических условий, типа почвы и отклика микроорганизмов-азотфиксаторов на нефтепродукты для расчета стартовой дозы внесения минеральных азотных удобрений был использован коэффициент 6, а в качестве удобрения была выбрана кальциевая селитра. При этом стартовая доза кальциевой селитры составила 45-50 кг д.в. на 1 га, что соответствовало 300-360 кг на 1 га удобрения. Для оптимизации фосфорного питания углеводород окисляющих микроорганизмов внесли 120-150 кг на 1 га двойного суперфосфата. Для равномерного распределения внесенных компонентов и улучшения аэрации почвы проводили рыхление на глубину не менее 25-30 см.

Сразу после внесения в почву минерал-мелиоранта алюмосиликатной природы одновременно обеспечил сорбцию нефтяных углеводородов и почти 10-ти кратное увеличение численности углеводородокислящих микроорганизмов. Уровень активности азотфиксирующих микроорганизмов на 10 сутки после внесения минеральных удобрений и природного высокопористого минерал-мелиоранта алюмосиликатной природы возрос на порядок и составил 95-98% от потенциально возможного для данного типа почвы. За три месяца рекультивации содержание нефтепродуктов снизилось до 22-26 г/кг почвы. Это соответствует 85%-ной очистке почвы.

Пример 6.

Исходное содержание нефтепродуктов на участке загрязненной дерново-подзолистой среднесуглинистой почвы площадью 1·10⁴ м² составляло 170 г на 1 кг почвы, что соответствует 28%-му уровню загрязнения (от объема почвы). Исходный уровень потенциальной активности азотфиксации (по Виноградскому) почвы на фоновом (незагрязненном) участке составлял 15-18%. На рекультивируемом загрязненном участке данный показатель соответствовал фоновому. Внесение природного высокопористого минерал-мелиоранта алюмосиликатной природы (вермикулит приморского месторождения) в дозе 2 т/га способствовало незначительному увеличению активности азотфиксации до 25%, что свидетельствует о слабом отклике азотфиксирующей микрофлоры почвы на присутствие нефтепродуктов и внесение вермикулита (Naz=1,4-1,7). С учетом климатических условий, типа почвы и отклика микроорганизмов-азотфиксаторов на нефтепродукты для расчета стартовой дозы внесения минеральных азотных удобрений был коэффициент Kaz=55. При этом стартовая доза азотного удобрения (азофоски) составила 70-90 кг действующего вещества на 1 га, что соответствовало 440-570 кг. Для оптимизации фосфорного питания углеводород окисляющих микроорганизмов внесли 160-200 кг двойного суперфосфата на 1 га. Для равномерного распределения внесенных компонентов и улучшения аэрации почвы проводили рыхление на глубину не менее 25-30 см. Сразу после внесения в почву природного высокопористого минерал-мелиоранта алюмосиликатной природы одновременно обеспечивается сорбция нефтяных углеводородов и более чем 5-ти кратное увеличение численности углеводород окисляющих микроорганизмов. На всем протяжении периода наблюдений (3 месяца) уровень активности азотфиксирующих микроорганизмов колебался в диапазоне 25-30%.

За три месяца рекультивации была достигнута 56%-ная степень очистки почвы. Содержание нефтепродуктов в почве не превышало 75-77 г/кг почвы.

Таким образом, применение предлагаемого способа позволяет в короткие сроки (при низкой и средней степени загрязнения - за один летний сезон, при высокой степени - за два сезона) провести детоксикацию и восстановление основных экологических функций почвы. Использование азотного минерального удобрения в оптимальной дозе с учетом уровня исходной азотфиксирующей активности конкретной почвы и ее отклика на нефтяные углеводороды и внесение природных алюмосиликатных минералов обусловливает скорость восстановления, максимально возможную для данного типа почвы.

Способ также экономически и экологически выгоден, так как наряду с экономией дорогостоящих минеральных удобрений обеспечивает стимулирование активности азотфиксирующих микроорганизмов и симбиотрофной с ними углеводород окисляющей микрофлоры без загрязнения окружающей среды излишками минеральных элементов, вносимых в составе удобрений.

Способ рекультивации почвы, загрязненной нефтью и нефтепродуктами, включающий внесение в почву минеральных азотных и фосфорных удобрений с последующим рыхлением на глубину 25-30 см, отличающийся тем, что одновременно с минеральными азотными и фосфорными удобрениями вносят природный высокопористый минерал-мелиорант алюмосиликатной природы, а дозы азотных удобрений рассчитывают по формуле

D=Naz·Kaz,

где D - стартовая доза действующего вещества азотного удобрения, кг/га;

Naz - показатель отклика азотфиксирующей микрофлоры почвы на внесение нефтепродуктов и природного высокопористого минерала - мелиоранта алюмосиликатной природы;

Kaz - коэффициент пересчета для конкретного типа почвы, значение которого для темно-серой лесной почвы составляет 20, для торфяной супесчаной - 6 и для дерново-подзолистой среднесуглинистой - 55.