Our journals
Submit manuscript Sign in / Sign up
Advanced search
Article sections

RECLAMATION OF SOILS CONTAMINATED WITH PETROLEUM PRODUCTS

Research article
Melnik O. A.
Issue: № 12 (114), 2021
Published:
2021/12/17
PDF

РЕКУЛЬТИВАЦИЯ ЗАГРЯЗНЕННЫХ НЕФТЕПРОДУКТАМИ ПОЧВ

Научная статья

Мельник О.А.1, *, Никифоренко Ю.Ю.2

1, 2 Кубанский государственный аграрный университет им. И. Т. Трубилина, Краснодар, Россия

* Корреспондирующий автор (melnik_olga240781[at]mail.ru)

Аннотация

В статье рассматривается один из способов рекультивации загрязненных нефтепродуктами почв, включающий использование отходов химической промышленности (фосфогипса) и сельского хозяйства (перегноя КРС) без снятия верхнего плодородного слоя и его восстановление в природных условиях. Результаты проведенных исследований показали, что фосфогипс в загрязненном субстрате способствует ускорению процессов распада нефтяных фракций, восстановлению буферной емкости и дыхания почвы, а также способствует росту нефтеокисляющей микрофлоры. Таким образом данный метод позволяет ускорить процесс рекультивации земель и требует небольших материальных затрат, что доказывает его экологическое и экономическое преимущество.

Ключевые слова: загрязнения, нефтепродукты, рекультивация земель, фосфогипс, перегной КРС.

RECLAMATION OF SOILS CONTAMINATED WITH PETROLEUM PRODUCTS

Research article

Melnik O. A.1, Nikiforenko Yu. Yu.2

1, 2 Kuban State Agrarian University, Krasnodar, Russia

* Corresponding author (melnik_olga240781[at]mail.ru)

Abstract

The article discusses one of the methods of reclamation of soils contaminated with petroleum products, including the use of waste from the chemical industry (phosphogypsum) and agriculture (cattle humus) without removing the topsoil and restoring it in natural conditions. The results of the conducted studies show that phosphogypsum in a contaminated substrate accelerates the decomposition of oil fractions, restores the buffer capacity and respiration of the soil, and also promotes the growth of oil-oxidizing microflora. Thus, this method allows for speeding up the process of land reclamation and requires small material costs, which proves its environmental and economic advantage.

Keywords: pollution, petroleum products, land reclamation, phosphogypsum, cattle humus.

Введение

Проблема очистки и восстановления почв, загрязненных нефтепродуктами, в настоящее время чрезвычайно важна. Согласно официальным данным, в России нуждается в рекультивации более 1 млн. га земель, пострадавших от загрязнения нефтью и нефтепродуктами [2, С. 72–73]. Для восстановления таких земель обычно используют методы биоремедиации, требующие снятия и вывоза загрязненного слоя почвы и его дальнейшей очистки на специальных полигонах с использованием микроорганизмов, или фиторемедиации, предполагающей восстановление почв с использованием определенных видов растений [1, С. 22–23], [3, С. 270], [6], [10, С. 2–3]. Как правило, такие методы экономически затратные и требуют много времени. В настоящей статье предлагается метод восстановления загрязненных нефтепродуктами почв, основанный на использовании фосфогипса (отхода производства фосфорных удобрений). Инновационное направление предлагаемого способа заключается:

1) в разработке новой технологии восстановления почв, не исследованной ранее;

2) в использовании и утилизации отхода промышленного производства (фосфогипса);

3) в снижении стоимости и времени рекультивации загрязненных нефтепродуктами почв за счет реализации проекта на территории локального загрязнения в течение 1–2 лет без снятия верхнего плодородного слоя, что отражает экологическое и экономическое преимущество.

Материалы и методы исследований

Цель и задачи предлагаемого метода очистки загрязненных нефтепродуктами почв – рекультивация почвы с использованием отходов химической промышленности (фосфогипса) и сельского хозяйства (перегноя) без снятия верхнего плодородного слоя и его восстановление в природных условиях [7, С. 216–217], [9, С. 3–4]. Суть технологии включает применение фосфогипсово-песчаной смеси, дальнейшее внесение удобрений, посев зерновых культур (овес, озимая пшеница), уход за посевами и оценку биопродуктивности.

Согласно разработанному методу потребуются следующие ресурсы:

– материалы и субстраты, в состав которых входят отходы сельского хозяйства (перегной КРС) и химической промышленности (фосфогипс), песок, минеральные удобрения, семена сельскохозяйственных культур (овес, озимая пшеница);

– техническое оборудование для транспортировки, внесения мелиорантов и перепашки верхнего слоя почвы; лабораторное оборудование и реактивы для проведения анализов на содержание нефтепродуктов в почве (прибор КН-1), а также для определения основных химических показателей почвы.

Рекультивацию загрязненных нефтепродуктами земель планируется осуществлять согласно следующим основным этапам:

  1. Оценка экологической ситуации в зоне разлива является начальным этапом проекта, на котором проводится комплексный анализ загрязненного нефтепродуктами участка (определение общей площади разлива, глубины и объема загрязнения), отбор проб почвы и их анализ в лаборатории (определение содержания нефтепродуктов, агрономическая оценка почвенного профиля; анализ активности почвенной микрофлоры). От полученных в результате приведенных анализов результатов зависит дальнейшее планирование мероприятий.
  2. Планирование мероприятий включает расчет необходимых материалов на рекультивацию известного объема загрязненного субстрата. В условиях реализации предлагаемого метода в соответствии со степенью загрязнения почвы рассчитываются нормы внесения фосфогипса, песка, перегноя и минеральных удобрений; проводят планирование машин и технологического оборудования; планирование схемы почвенно-экологических исследований для отслеживания процессов деструкции нефтепродуктов в почве.
  3. Подготовка материалов и оборудования. На данном этапе реализации проекта осуществляются мероприятия по подготовке материалов, оборудования и машин для реализации проекта: покупка и транспортировка фосфогипса, перегноя, песка и минеральных удобрений; подготовка оборудования к эксплуатации.
  4. Реализация мероприятий. Мероприятия по восстановлению загрязненного нефтепродуктами участка предполагается осуществлять согласно следующим этапам: сбор разлитых нефтепродуктов по поверхности почвы; разбрасывание по поверхности участка смеси, включающей фосфогипс и песок при помощи навозоразбрасывателя и перемешивание ее с загрязненным субстратом путем перепашки всей площади участка на глубину проникновения нефтепродуктов; внесение и заделка компоста из фосфогипса и перегноя в почву; внесение и заделка перегноя и минеральных удобрений в почву; посев сельскохозяйственных культур (озимая пшеница, овес); уход за посевами в период вегетации культуры; оценка биопродуктивности используемой культуры и ее уборка.
  5. Завершение проекта. На заключительном этапе проекта планируется провести комплексную экологическую оценку почвы рекультивируемого участка по показателям, указанным в первом этапе, и на основании полученных результатов составляется отчет о завершении рекультивации.
Результаты исследований

Работы по восстановлению загрязненной нефтепродуктами почвы проводятся на кафедре общей биологии и экологии (в настоящее время кафедра ботаники и общей экологии) КубГАУ с 2004 года. Результаты проведенных лабораторных, вегетационных и полевых исследований показали, что фосфогипс в загрязненном субстрате способствует ускорению процессов распада нефтяных фракций, восстановлению буферной емкости и дыхания почвы, а также росту нефтеокисляющей микрофлоры.

По физико-химической характеристике фосфогипс представляет собой не токсичный пастообразный высокодисперсный сульфат кальция (СаSO4 х 2Н2О) с примесью неразложившегося фосфата, фосфорнокислых солей и силикатов. Весьма высокая дисперсность фосфогипса обусловлена специфичностью его физического состояния, представленного системой тонко размолотых частиц коллоидного вещества, распределенных в однородной среде; его коллоиды отличаются малой скоростью диффузии, не проникают через тонкопористые мембраны клеточных структур и характеризуются неравновесной растворимостью [8, С. 36–37]. Важным является такое свойство фосфогипса как образование гранул при его смешивании с другим субстратом. При внесении в почву фосфогипса заметно активизируются процессы структурообразования. Фосфогипс по своей химической активности благоприятствует подвижности в почве многих химических веществ и улучшает условия питания растений, увеличивает биологическую активность почвы: количество микроорганизмов, использующих органические формы азота.

Лабораторные и вегетационные исследования позволили проанализировать воздействие различных доз фосфогипса на процессы деструкции нефтепродуктов, а также на формирование проростков растений на загрязненных рекультивируемых субстратах. Дополнительно мы использовали перегной КРС совместно с фосфогипсом для обогащения субстрата органическим веществом и стимулирования роста микроорганизмов. Совместное использование перегноя и фосфогипса оказало положительное влияние на формирование проростков озимой пшеницы на загрязненном субстрате, и соответственно, на повышение качественных и количественных параметров растений. Было выявлено, что при определенных соотношениях перегноя и фосфогипса, рост и развитие растений ускоряются, что говорит о восстановлении субстрата, активизации почвенной микрофлоры и деструкции высокотоксичных фракций нефти.

Вегетационные опыты, основанные на исследовании загрязненных мазутом субстратов, позволили выделить благоприятное воздействие фосфогипса на процессы их восстановления после нефтяного загрязнения. Во-первых, был проведен химический анализ субстратов, который показал, что при совместном добавлении фосфогипса и перегноя к загрязненной нефтепродуктами почве увеличивается содержание таких важнейших химических элементов, как фосфора, серы и кальция, которые необходимы для роста и развития растений, а также повышается количество органического вещества. Во-вторых, анализ массовой доли нефтепродуктов в субстратах показал, что добавление фосфогипса значительно ускоряет процессы распада нефтепродуктов в субстрате (см. таблицу 1).

 

Таблица 1 – Содержание нефтепродуктов в загрязненной мазутом почве

Период проведения анализа проб почвы на содержание нефтепродуктов Содержание нефтепродуктов, мг/кг почвы
До внесения мелиорантов 8200 ± 390
7-й месяц проведения рекультивации / после внесения основных компонентов мелиорации (компоста из фосфогипса и перегноя) 5680 ± 275
15–16-й месяцы проведения рекультивации / 9–10-й месяцы с момента внесения компоста из фосфогипса и перегноя (после уборки урожая) 2474 ± 130
18-й месяц – завершение рекультивации 1980 ± 94
 

Данные, полученные в результате анализа, показывают снижение количества нефтепродуктов в субстратах более чем в 3 раза. Согласно литературным данным, остаточное количество нефтепродуктов в почвах при самовосстановлении составляет 30–40 % через 2–3 года после разлива, однако данные могут варьировать в зависимости от типа почв и климатических условий, причем, только после этого возможно самовосстановление фитоценоза [4], [5, С. 336–337], [11, С. 175]. Остаточное же содержание нефтепродуктов в исследуемых субстратах уже через 9 месяцев с момента внесения основных мелиорируемых компонентов (после уборки урожая) составило в среднем 2474 ± 130 мг/кг почвы, что соответствует 30 % от начального содержания нефтепродуктов в загрязненной почве, равного 8200 ± 390 мг/кг. Это подтверждает взаимодействие фосфогипса с фракциями нефтепродуктов и ускорение процессов рекультивации почвы.

При внесении фосфогипса и его перемешивании с загрязненной почвой в субстрате происходит преобразование и разрушение мазута. Фосфогипс, обладая кислой реакцией, способствует отделению воды от фракций мазута, что способствует восстановлению окислительно-восстановительных функций почвы. При механическом воздействии на субстрат происходит перемешивание загрязненных слоев. При сохранении кислой реакции загрязненного субстрата происходит дальнейший распад органической составляющей мазута. Помимо этого, наблюдается уравновешивание окислительно-восстановительного потенциала почвы и постепенное восстановление процессов ее дыхания.

Внесение фосфогипса в смеси с перегноем и перемешивание с почвой дает дополнительную микрофлору и дополнительные органические и минеральные вещества-коллоид [7, С. 217–218]. На этом этапе связанная вода с тяжелыми фракциями мазута отщепляется, а сами органические соединения трансформируются под влиянием минеральных кислот и внешних факторов в более легкие и активно перерабатываемые комплексными реакциями вещества.

Природные факторы, такие как свет, умеренная влажность, температура и кислород воздуха, провоцируют реакции радикального характера с разрывом цепей и образованием различных органических структур с содержанием гетероатомов. Более легкие и измененные фракции в большей степени подвергаются воздействию микрофлоры почвы, которая вносится с перегноем и активно участвует при перемешивании слоев субстрата в усилении процессов химико-биологического разрушения различных фракций нефтепродуктов.

Таким образом, рассмотренный опыт позволяет предполагать, что фосфогипс совместно с перегноем является хорошим рекультивируемым субстратом для почв, загрязненных не только мазутом, но и другими нефтепродуктами.

Заключение

Рассматриваемый метод рекультивации загрязненных нефтепродуктами почв предполагает восстановление участка земли за период 1,5 года. Основываясь на результатах проведенных исследований, за данный период времени концентрация нефтепродуктов снижается на 70–80 %. Таким образом, на момент завершения предлагаемого способа очистки остаточное содержание нефтепродуктов в почве должно составить 20–30 % от исходного загрязнения. Практическое значение использования данной технологии для рекультивации загрязненных нефтепродуктами почв чрезвычайно важно. Данный метод позволяет ускорить процесс рекультивации земель и требует незначительных материальных затрат, что показывает его экологическое и экономическое преимущество. Кроме того, применение в технологии отходов сельского хозяйства и химической промышленности обеспечивает их частичную утилизацию, улучшение экологической ситуации вблизи мест складирования данных отходов и оздоровление окружающей среды человека, что является социально значимым решением.

Конфликт интересов Не указан. Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

  1. Армишева Г. Т. Оценка эффективности методов биологической и физической очистки загрязненных почв от нефтепродуктов / Г. Т. Армишева, В. Э. Шестакова // Окружающая среда : комфортность и экологическая безопасность : сб. материалов III Международной науч.-практич. конф. – Курск, 2020. – С. 22–25.
  2. Белюченко И. С. Использование фосфогипса для рекультивации загрязненных нефтью почв / И. С. Белюченко, Е. П. Добрыднев, Е. И. Муравьев и др. // Труды КубГАУ. – 2008. – № 3 (12). – С. 72–77.
  3. Белюченко И. С. Экология Кубани / И. С. Белюченко. – Краснодар : КубГАУ, 2005. – Ч. 2. – С. 268–279.
  4. Брукс Б. Т. Химия углеводородов нефти / Б. Т. Брукс, Б. Т. Бурд, С. Б. Брукс и др. – Гостоптехиздат, 1958. – Т. 1. – 550 с.
  5. Гилязов М. Ю. Агроэкологическая характеристика и приемы рекультивации нефтезагрязненных черноземов Республики Татарстан / М. Ю. Гилязов, И. А. Гайсин // Акад. наук Респ. Татарстан. – Казань : Фэн, 2003. – С. 335–339.
  6. Золотарева А. А. Микробно-биотехногенный метод очистки почв от нефти и нефтепродуктов / А. А. Золотарева // Национальная Ассоциация Ученых. – 2017. – № 6 (33). – С. 7–8.
  7. Калинина О. В. Возможность рекультивации почв, загрязненных мазутом / О. В. Калинина, О. А. Мельник // Проблемы рекультивации отходов быта, промышленного и сельскохозяйственного производства : сб. материалов I Всерос. науч. экол. конф. – Краснодар, 2009. – С. 216–219.
  8. Муравьев Е. И. Перспективы использования фосфогипса в сельском хозяйстве / Е. И. Муравьев, Е. П. Добрыднев, И. С. Белюченко. // Экологический Вестник Северного Кавказа. – 2008. – Т. 4. – № 1. –С. 31–39.
  9. Пат. 2402079 Российская Федерация, МПК G09C 1/10, C12N 1/26. Способ рекультивации почв, загрязненных нефтью / Белюченко И. С., Добрыднев Е. П., Муравьев Е. И. и др.; заявитель и патентообладатель Кубанский государственный аграрный университет. – № 2008133094/10; заявл. 11.08.2008; опубл. 20.10.2010, Бюл. № 29. – 5 с.
  10. Пат. 2630246 Российская Федерация, МПК B09C 1/10. Способ очистки почвы от загрязнений нефтепродуктами / Листов Е. Л., Пыстина Н. Б., Хохлачев Н. С. и др. ; заявитель и патентообладатель Публичное акционерное общество «Газпром». – № 2016152700; заявл. 30.12.2016; опубл. 06.09.2017, Бюл. № 25. – 7 с.
  11. Потапов В. М., Строение и свойства органических веществ / В. М. Потапов, И. Н. Чертков. – М. : «Просвещение», 1972. – 208 с.

Список литературы на английском языке / References in English

  1. Armisheva G. T. Ocenka jeffektivnosti metodov biologicheskoj i fizicheskoj ochistki zagrjaznennyh pochv ot nefteproduktov [Evaluation of the Effectiveness of Methods of Biological and Physical Purification of Contaminated Soils From Petroleum Products] / G. T. Armisheva, V. Je. Shestakova // Okruzhajushhaja sreda : komfortnost' i jekologicheskaja bezopasnost' : sb. materialov III Mezhdunarodnoj nauch.-praktich. konf. [Environment: Comfort and Environmental Safety: Collection of Materials of the III International Scientific and Practical Conference] – Kursk, 2020. – pp. 22–25. [in Russian]
  2. Beljuchenko I. S. Ispol'zovanie fosfogipsa dlja rekul'tivacii zagrjaznennyh neft'ju pochv [The Use of Phosphogypsum for Recultivation of Oil-Contaminated Soils] / I. S. Beljuchenko, E. P. Dobrydnev, E. I. Murav'ev et al. // Trudy KubGAU [Proceedings of KubSAU]. – 2008. – № 3 (12). – pp. 72–77. [in Russian]
  3. Beljuchenko I. S. Jekologija Kubani [Ecology of Kuban] / I. S. Beljuchenko // – Krasnodar : KubGAU, 2005. – Part 2. – pp. 268–279. [in Russian]
  4. Brooks B. T. Himija uglevodorodov nefti [The Chemistry of Petroleum Hydrocarbons] / B. T. Brooks, B. T. Boord, B. Brooks et al. // – Gostoptehizdat, 1958. – Vol. 1. – p. 550 [in Russian]
  5. Giljazov M. Ju. Agrojekologicheskaja harakteristika i priemy rekul'tivacii neftezagrjaznennyh chernozemov Respubliki Tatarstan [Agroecological Characteristics and Methods of Recultivation of Oil-Contaminated Chernozems of the Republic of Tatarstan] / M. Ju. Giljazov, I. A. Gajsin // Akad. nauk Resp. Tatarstan. – Kazan' : Fjen, 2003. – pp. 335–339. [in Russian]
  6. Zolotareva A. A. Mikrobno-biotehnogennyj metod ochistki pochv ot nefti i nefteproduktov [Microbial-Biotechnogenic Method of Soil Purification From Oil and Petroleum Products] / A. A. Zolotareva // Nacional'naja Associacija Uchenyh. – 2017. – № 6 (33). – pp. 7–8. [in Russian]
  7. Kalinina O. V. Vozmozhnost' rekul'tivacii pochv, zagrjaznennyh mazutom [The Possibility of Recultivation of Soils Contaminated With Fuel Oil] / O. V. Kalinina, O. A. Mel'nik // Problemy rekul'tivacii othodov byta, promyshlennogo i sel'skohozjajstvennogo proizvodstva : sb. materialov I Vseros. nauch. jekol. konf. [Problems of Recultivation of Household Waste, Industrial and Agricultural Production: Collection of Materials of I All-Russian Scientific Ecological Conference] – Krasnodar, 2009. – pp. 216–219. [in Russian]
  8. Murav'ev E. I. Perspektivy ispol'zovanija fosfogipsa v sel'skom hozjajstve [Prospects for the Use of Phosphogypsum in Agriculture] / E. I. Murav'ev, E. P. Dobrydnev, I. S. Beljuchenko. // Jekologicheskij Vestnik Severnogo Kavkaza [Ecological Bulletin of the North Caucasus]. – 2008. – Vol. 4. – № 1. – pp. 31–39. [in Russian]
  9. 2402079 Rossijskaja Federacija, MPK G09C 1/10, C12N 1/26. Sposob rekul'tivacii pochv, zagrjaznennyh neft'ju [Method of Remediation of Soils Contaminated With Oil] / I. S. Beljuchenko, E. P. Dobrydnev, E. I. Murav'ev et al. // applicant and patentee: Kuban State Agrarian University. – № 2008133094/10; filed 11.08.2008; published 20.10.2010, Bulletin № 29. – p. 5 [in Russian]
  10. 2630246 Rossijskaja Federacija, MPK B09C 1/10. Sposob ochistki pochvy ot zagrjaznenij nefteproduktami [Method of Soil Purification From Oil Pollution] / E. L. Listov, N. B. Pystina, N. S. Hohlachev et al. // applicant and patentee: PJSC Gazprom. – № 2016152700; filed 30.12.2016; published 06.09.2017, Bulletin № 25. – p. 7 [in Russian]
  11. Potapov V. M. Stroenie i svojstva organicheskih veshhestv [Structure and Properties of Organic Substances] / M. Potapov, I. N. Chertkov. – M. : «Prosveshhenie», 1972. – p. 208 [in Russian]