Способ обезвреживания грунтов от загрязнений нефтью, нефтепродуктами и тяжелыми металлами и устройство для его осуществления
Владельцы патента RU 2557636:
Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)" (RU)
Способ включает безотвальную вспашку грунта при создании пористой механоактивированной почвенной структуры, мульчирующее боронование. Осуществляют обработку почвы распылением водного раствора смеси биологического и органоминерального препаратов, выбранных в соотношении (0,5÷1):3. После чего укрывают обработанный участок рулонным материалом, обеспечивающим поддержание концентрации водных растворов реагентов независимо от выпадения осадков. В качестве биологического препарата используют углеводородокисляющие микроорганизмы, которые выбирают из дрожжей и бактерий, или мезофильные микроорганизмы рода Rhodococcus, Psendomonas, Acinetobacter. В качестве органоминерального препарата используют гумино-минеральные концентраты на основе гумата калия или смесь гуминовых или фульвокислот. Установка содержит транспортное средство, на котором установлены емкость для раствора и навесной агрегат. Навесной агрегат включает последовательно установленные безотвальный плуг, блок дисковых борон и жидкостный распылитель в виде трубы. К распылителю прикреплены центробежный и форсуночный распылители. Диски бороны выполнены выпуклыми, снабжены вырезами и установлены поперечно с наклоном в противоположные стороны. Такие технология и конструкция позволят повысить качество обеззараживания почвы от нефтепродуктов и тяжелых металлов. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.,
Изобретение относится к области рекультивации почв и грунтов, загрязненных нефтью, нефтепродуктами и тяжелыми металлами. Оно относится к сельскохозяйственному оборудованию и, в частности, к устройствам для обработки почвы и внутрипочвенного внесения жидких комплексных реагентов.
Известен способ рекультивации почвы, загрязненной нефтью и нефтепродуктами. Способ включает стадии перемешивания почвы, загрязненной нефтью и/или нефтепродуктами, с птичьим пометом, органическими или древесными отходами и компостирования в течении периода не менее 10 месяцев (RU 2240877 С1, В09С 1/00, C05F 3/00, опублик. 27.11.2004).
Недостатком этого способа является низкое качество обработки почвы, длительный срок ее восстановления и значительные энергозатраты на дополнительные операции по внесению твердых реагентов и их перемалыванию с почвой.
Известен способ очистки почвы от нефтяных загрязнений (RU 2170149 С1, В09С 1/10, опублик. 10.07.2001), в котором почву обрабатывают адаптированной к углеводородам нефти бактериальной культурой в смеси с биостимулятором. В качестве адаптированной бактериальной культуры используют штамм бактерии Bacillus, а в качестве биостимулятора - белковую смесь «Биотран». Ее получают биотехнологическим способом на основе углеродосодержащего сырья с использованием непатогенных штампов-продуцентов, а перед внесением их в почву смешивают в соотношении 1:1. Эти препараты ускоряют биодеградацию почвы.
Недостатком способа является наличие промежуточных операций по приготовлению биопрепаратов и длительный срок очистки грунтов от нефтяных загрязнений.
Известен способ очистки грунтов от тяжелых металлов, (DE 19813425 А1, В09С 1/10, С09К 17/22, опублик. 05.09.2005). В способе уменьшение содержания тяжелых металлов в грунте происходит за счет их перехода в растения, для чего грунты обрабатываются структурированными полиакрилатами или политетакрилатами.
Недостатком способа является невозможность при его использовании очищать грунт от нефтепродуктов.
Наиболее близким к предложенному является способ удаления углеводородов и тяжелых металлов из почвы (GB 2348422 А1, В09С 1/06, В09С 1/02, опублик. 04.10.2000). В способе галогенизированные углеводороды и соединения свинца и других тяжелых металлов удаляют из почвы, подвергая ее сначала термообработке. При этом происходит разложение углеводородов, соединений свинца и других тяжелых металлов. Нефтепродукты при этом переходят в газообразную фазу и пропускаются через теплостойкий пористый материал. Углеводороды, присутствующие в газовой фазе, распадаются за счет каталитического окисления. Затем термообработанную почву смешивают с водным раствором, чтобы растворить оксиды металлов и другие токсичные неорганические вещества. После этого почву отделяют от выщелачивающего раствора, промывают водой и рециркулируют в расщелачивающий раствор.
Данный способ позволяет очищать грунты в многостадийном процессе с использованием термонагрева, катализаторов и водных реагентов. Это удорожает процесс очистки грунтов и требует применения специального оборудования. Получаемая после этого почва не обладает агрономическими свойствами.
Известен комбинированный агрегат для обработки, удобрения почвы и посева, состоящий из щелерезов-дренеров, ротационных рыхлителей, уплотняющих роликов, гидрокоммуникаций, емкостей для жидких органических и минеральных удобрений и посевной части (SU 1473728 A1, А01В 49/06, A01C 23/02, опублик. 23.04.1989).
Недостатком этого устройства является низкое качество обработки почвы и невозможность перемешивания слоев почвы с жидкими реагентами из-за слабой фильтрационной способности стенок грунта.
Известен комбинированный агрегат для послойной обработки почвы, включающий раму, батареи дисковых рабочих органов, плоскорежущий безотвальный рабочий орган и дополнительный рабочий орган (RU 2283559 С1, А01В 49/02, опублик. 20.09.2006).
Недостатком этого агрегата является низкое качество обработки почвы и невозможность использования его для внутрипочвенного внесения жидких органических удобрений и реагентов. Кроме того упругая подвеска дисковых батарей, жестко закрепленная на раме при встрече с препятствиями плохо обрабатывает почву, а пространства между дисками будут забиваться почвой и растительными остатками.
Прототипом предложенного устройства является комбинированный агрегат для обработки почвы и внесения жидких органических удобрений (RU 2352095 C1, А01С 23/02, опублик. 20.04.2009), содержащий цистерны с напорными трубопроводом, раму, режущие диски, разливочные патрубки, при этом диски расположены в четыре ряда с вогнутостью дисков каждого последующего ряда и противоположной вогнутостью дисков последующего ряда и выполнены вырезными, разливочные патрубки снабжены дефлекторными насадками и смонтированы с выпуклой стороны дисков второго ряда.
Недостатком такой установки является невозможность глубокой вспашки загрязненного грунта и создания оптимального взрыхления пласта почвы и ее полного орошения комплексным раствором.
В первом и втором объектах изобретения достигается технический результат, заключающийся в обеспечении обезвреживания загрязненных грунтов от нефти, нефтепродуктов и тяжелых металлов в урбанизированных территориях за счет комбинирования биологического и химического метода очистки.
Указанный технический результат в первом объекте изобретения достигается следующим образом.
В способе обезвреживания грунтов от загрязнений нефтью, нефтепродуктами и тяжелыми металлами осуществляют безотвальную вспашку грунта при создании пористой механоактивированной почвенной структуры, мульчирующее боронование и обработку почвы распылением водного раствора смеси биологического и органоминерального препаратов, выбранных в соотношении (0,5÷1):3. Затем осуществляют укрытие обработанного участка рулонным материалом, обеспечивающим поддержание концентрации водных растворов реагентов независимо от выпадения осадков.
В качестве биологического препарата используют углеводородокисляющие микроорганизмы, которые выбирают из дрожжей и бактерий, или мезофильные микроорганизмы рода Rhodococcus, Pseudomonas, Acinetobacter. В качестве органоминерального препарата используют гумино-минеральные концентраты на основе гумата калия или смесь гуминовых или фульвокислот.
При этом безотвальную вспашку грунта проводят на глубину 200-300 мм.
Указанный технический результат во втором объекте изобретения достигается следующим образом.
Установка для обезвреживания грунтов от загрязнений нефтью, нефтепродуктами и тяжелыми металлами содержит транспортное средство, на котором установлены емкость для раствора и навесной агрегат.
Навесной агрегат включает последовательно установленные безотвальный плуг, блок дисковых борон и жидкостный распылитель.
Последний выполнен в виде трубы с прикрепленными к нему центробежным и форсуночным распылителями.
Диски бороны выполнены выпуклыми, снабжены вырезами и установлены поперечно с наклоном в противоположные стороны.
Изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображен вид сбоку установки для обезвреживания грунтов, на фиг. 2 изображен вид сверху установки для обезвреживания грунтов, на фиг. 3 изображена схема взаимодействия с почвой дисков бороны после вспашки плугом, на фиг. 4 изображено углубление в грунте после боронования.
На чертеже показаны емкость 1 с водным раствором смеси препаратов, опорное колесо 2, безотвальный плуг 3, диски 4 комплекта дисковых борон, форсуночный распылитель 5, ось 6 бороны, борозды 7, глубина h1 вспашки, глубина h2 боронования, длина l обработанного пласта.
Предложенный способ осуществляется с использованием предложенного устройства следующим образом.
Перед началом движения транспортного средства лемехи безотвального плуга 3 устанавливаются на заданную глубину h1 вспашки, равную 200-300 мм.
Закрепленные за плугом дисковые бороны обрабатывают почву, создавая пористую механоактивированную почвенную структуру путем мульчирующего боронения.
Пористая механоактивированная почвенная структура образуется вследствие того что, пористое пространство почвы, как и других пористых материалов, можно представить как агрегат со статистическим лабиринтом с чередующимися расширениями и сужениями разного размера и формы. Этот лабиринт занимает часть суммарного объема пористого тела, соответствующую эффективной пористости. Размер пор, их форма и сочетание весьма разнообразны, так как они являются производными от случайного расположения полидисперсных частиц механического состава - элементарных почвенных частиц, микроагрегатов и структурных частей, крайне различных по размерам, форме и характеру их поверхностей. Эти промежутки по форме и размерам сильно изменяются во времени в зависимости от происходящих в почве физико-механических и биологических процессов.
При этом существенное значение имеет плотность агрегатов или их пористость (Н.А. Качинский Физика почвы. - М: Высшая школа., 1965, 320 с.). С пористостью связана микробиологическая деятельность в комке. Если структурный комок пронизан только весьма тонкими порами, то даже при незначительной влажности микробиологические аэробные процессы в нем резко снижаются, ограничиваясь только верхней пленкой.
При мульчирующем боронении протекают процессы механоактивации сложной структуры почв, которые можно анализировать на основе современных представлений физико-химической механики дисперсных сред.
В результате механоактивации почв образуются конденсационные структуры схожие с кристаллизационными, но отличающиеся природой связи частиц. Здесь роль мостиков играют некристаллические продукты химических реакций. При интенсивном воздействии бороны в условиях деформационного воздействия происходит образование новых поверхностей. Разрушение или развитие трещины сопровождается изменением энергетического состояния вещества и переходом энергии бороны в поверхностную энергию измельчаемых частиц почв. При этом происходят физические и химические взаимодействия, а также увеличение полной энергии системы в изотермическом процессе прироста поверхности (Технологические проблемы измельчения и механоактивации. Материалы научно-технического семинара стран содружества. - Могилев: 1992 г. с. 21-23; Седов В.В., Кузьминкий А.С., Кирштейн Н.И. В сб.: 11 - Все. Симпоз. По механоэмиссии и механохимии твердых тел. Таллинн, т. 2, 1977 г. С. 15-25).
Вырезные диски 4 борон имеют вогнутую форму. За счет этого почва равномерно сходит с вогнутой стороны дисков 4. Вырезы в дисках 4 увеличивают режущую и дробящую способность рабочего органа и способствует активному мульчированию почвы.
Так как после плуга образуются борозды 7 конической формы глубиной h1, то совместное воздействие дисков 4, направленных в разные стороны, разрушает трапециевидные перемычки между ними. Таким образом образуется разрыхленные прямоугольные углубления в почве высотой h2=150-200 мм.
После боронения происходит орошение всего участка пористого мульчированного грунта с помощью центробежного и форсуночного распылителей. Орошение проводится распылением водного раствора смеси биологического и органоминерального препаратов, выбранных в соотношении (0,5÷1):3.
Исследование факторов возникновения более высокой эффективности процесса при суммарном и одновременным воздействием реагентов показало, что ГМК химически связывает в прочные комплексы ионы тяжелых металлов и органические токсиканты. Это приводит к их обезвреживанию, то есть потере биодоступности. При этом снижаются затраты энергии живой клетки биопрепарата на устранения негативного эффекта при попадании загрязнителей во внутриклеточную среду. В этом случае микроорганизмы проводят не только очистку грунтов от углеводородов нефтепродуктов, но и связывают соединения металлов в нерастворимые осадки. При соотношении биопрепаратов к ГМК меньше 0,5:3 этот эффект не наблюдается.
В качестве биологического препарата используют углеводородокисляющие микроорганизмы в виде дрожжей и бактерий, или мезофильные микроорганизмы рода Rhodococcus, Pseudomonas, Acinetobacter.
В качестве единственного источника углерода используют н-парафины, полученные карбамидной депарафинизацией с высоким содержанием ароматических углеводородов.
Процесс культивирования проводят непрерывно или периодически при температуре от 38°С до 42°С и рН от 6,8 до 7,2 в аэробных условиях.
При надобности полученную биомассу бактерий можно высушивать на распылительной сушилке.
В качестве органоминерального препарата используют гумино-минеральные концентраты на основе гумата калия или смесь гуминовых кислот или фульвокислот.
Эти препараты обеспечивают наиболее полное обезвреживание грунтов от нефтепродуктов и от тяжелых металлов. Их смесь хорошо перемешивается и при подаче их через форсунки не происходит забивания расспыливающих каналов.
После орошения проводят укрытие обработанного участка рулонным укрывным материалом, который обеспечивает поддержание концентрации водных растворов реагентов в заданном режиме, независимо от выпадающих осадков. Кроме того, выделяющиеся из грунта газы, в результате протекающих реакций, обеспечивают требуемую пористость грунтов. В качестве укрывного материала может быть использована пленка полиэтиленовая, СТ, полотно 0,100×6000 сорт первый ГОСТ 10354-82.
В таблице 1 приведены примеры осуществления способа с различным составом и соотношением смеси биологического и органоминерального препаратов, демонстрирующие достижение технического результата.
Осуществление предложенного изобретения позволит эффективно обеспечивать биохимическую реабилитацию грунтов от загрязнений нефтью, нефтепродуктами и тяжелыми металлами до концентрации предельно допустимых концентраций.
1. Способ обезвреживания грунтов от загрязнений нефтью, нефтепродуктами и тяжелыми металлами, характеризующий тем, что осуществляют безотвальную вспашку грунта при создании пористой механоактивированной почвенной структуры, мульчирующее боронование, обработку почвы распылением водного раствора смеси биологического и органоминерального препаратов, выбранных в соотношении (0,5÷1):3, и последующее укрытие обработанного участка рулонным материалом, обеспечивающим поддержание концентрации водных растворов реагентов независимо от выпадения осадков, при этом в качестве биологического препарата используют углеводородокисляющие микроорганизмы, которые выбирают из дрожжей и бактерий, или мезофильные микроорганизмы рода Rhodococcus, Pseudomonas, Acinetobacter, а в качестве органоминерального препарата используют гумино-минеральные концентраты на основе гумата калия или смесь гуминовых или фульвокислот.
2. Способ по п. 1, в котором безотвальную вспашку грунта проводят на глубину 200-300 мм.
3. Установка для обезвреживания грунтов от загрязнений нефтью, нефтепродуктами и тяжелыми металлами, содержащая транспортное средство, на котором установлены емкость для раствора и навесной агрегат, включающий последовательно установленные безотвальный плуг, блок дисковых борон и жидкостный распылитель в виде трубы с прикрепленными к нему центробежным и форсуночным распылителями, при этом диски бороны выполнены выпуклыми, снабжены вырезами и установлены поперечно с наклоном в противоположные стороны.