Обоснование способа рекультивации и восстановления нефтезагрязненных болот с использованием торфяных засыпок
Целью всесезонной технологии рекультивации нефтезагрязненных торфяных болот с использованием засыпок на основе подсушенного торфа является снижение миграционной способности нефтепродуктов и степени загрязнения нефтью торфо-растительного слоя болота для ускоренного восстановления коренных болотных фитоценозов и возобновления торфообразовательного процесса на нефтезагрязненных торфяных болотах в суровых климатических условиях ХМАО-Югры.
Новый способ защищен патентом № 2323052 «Способ рекультивации нефтезагрязненных поверхностей торфяных болот», опубл. 27.04.2008 Бюл. № 12.
Концепция всесезонной технологии рекультивации нефтезагрязненных торфяных болот с использованием засыпок на основе подсушенного торфа заключается в максимальной мобилизации внутренних ресурсов экосистемы на восстановление своих первоначальных функций, активизации метаболизма существующих в торфогенном (деятельном) слое микроорганизмов, количество которых определяет биохимическую основу торфообразования.
При выдавливании из торфогенного слоя к поверхности болота нефти или ее продуктов при повышении уровня болотных вод (УБВ) слой
подсушенного торфа впитывает в себя часть нефти, способствуя самовосстановлению болота и препятствуя миграции свободной нефти в сопредельные среды, и таким образом снижает содержание нефти в торфяной залежи. Торфяная засыпка не является чужеродным материалом для торфяной залежи и представляет собой среду для зарастания болотной растительностью.
Для ускорения процесса восстановления растительности в торф добавляются фрагменты сфагнового и других мхов, способных давать вегетативные побеги по мере намокания и оседания слоя торфяной засыпки. Состав работ по восстановлению болотного участка включает: локализацию разлива нефти, сбор свободной нефти ручными или механизированным способами, как это принято во всех странах и компаниях; нанесение слоя подсушенного модифицированного торфа; систему мониторинга рекультивируемых участков торфяных залежей, направленную на получение информации о содержании остаточной нефти, динамики микроценозов на этих участках.
Природоохранный эффект этой технологии заключается в ускоренном восстановлении коренного фитоценоза, возобновлении торфообразовательного процесса и минимизации ущерба окружающей среде от аварийных разливов нефти. Микробиология торфяных отложений[12]
Нефтяное загрязнение отличается от многих других антропогенных воздействий тем, что оно дает не постепенную, а, как правило, «залповую» нагрузку на окружающую среду, вызывая быструю ответную реакцию.
Высокие и критические значения загрязнения характерны для почвы после аварийных разливов нефти. При высоких дозах загрязнения нефтепродуктами (на минеральных субстратах 10-15%, а на органических 15- 35%) эффективны технологии восстановления экосистем, улучшающие субстратные условия, прежде всего водно-воздушный режим почвы. Поэтому нельзя однозначно судить о скорости процессов очищения почв от нефти и об оценке эффективности приемов восстановления естественных экосистем, не принимая во внимание в первую очередь исходные дозы загрязнения и почвенно-климатические условия.
Физические, прежде всего механические, методы не могут обеспечить полное удаление нефти и нефтепродуктов из почвы, а процесс естественного разложения загрязнений в почвах чрезвычайно длителен. Разложение нефти и нефтепродуктов в почве в естественных условиях - процесс биогеохимический, в котором главное и большое значение имеет функциональная активность комплекса почвенных микроорганизмов, обеспечивающих постепенную минерализацию нефти и нефтепродуктов. Они являются постоянными компонентами почвенных микроценозов, и следует использовать их катаболическую активность для восстановления нефтезагрязненных почв. Ускорить очистку почв от нефтяных загрязнений с помощью микроорганизмов возможно в основном двумя способами: I) активизацией метаболической активности естественной микрофлоры почв путем изменения соответствующих физико-химических условий среды; 2) внесением специально подобранных активных нефтеокисляющих микроорганизмов в загрязненную почву.
При загрязнении болот нефтью процесс восстановления усложняется пространственно-временной неоднородностью, которая проявляется по глубине торфяных отложений, в плане болотного массива, его участка или микрорельефа.
Деятельные слои верховых и низинных типов торфяных залежей отличаются. У верховых болот за счет значительной части остатков сфагновых мхов слой меняется от 0,15 до I м. На низинных его мощность обычно меньше - от 0,05 до 0,3 м (без учета отдельно стоящих кочек). В деятельном слое верховой залежи плотность возрастает по глубине постепенно, соответственно, объем пор снижается с 70-80 до 20-30%, а деятельный слой низинных залежей, как правило, определяется как более однородная структура с небольшим изменением по глубине степени разложения и других показателей.
В верхнем слое залежи происходит основной процесс торфообразо- вания. Это биогеохимический процесс, который замедляется ниже минимального уровня болотных вод, характерного для данного биогеоценоза. Торфяные залежи богаты микроорганизмами (700-800 млн на I г торфа- сырца) и приближаются к разряду наиболее плодородных почв. Наибольшее количество микроорганизмов относится к верхнему аэрируемому слою залежей. Здесь сосредоточена большая часть дрожжевых микроорганизмов. Глубже в залежи лишь анаэробные бактерии[13].
Болотные участки различаются по численности и качественному составу микроорганизмов основных физиологических групп. Верховые болота менее благоприятны для жизнедеятельности микрофлоры. Поэтому численность микроорганизмов большинства физиологических групп в них значительно меньше, чем в торфах низинного типа[14].
Нитрофицирующие бактерии в торфяниках верхового типа обнаруживаются редко, тогда как в почвах низинного типа встречаются регулярно, хотя в неосушенной почве они немногочисленны. Количество микроорганизмов, превращающих минеральные формы азота, в почвах низинного типа в 9 раз, а аммонифицирующих бактерий - в 3-15 раз больше, чем в торфяниках верхового типа. Численность спорообразующих форм бактерий в 5 раз выше в торфяниках низинного типа.
Для торфов верхового типа часто характерна низкая степень минерализации органического вещества, что неблагоприятно сказывается на развитии актиномицетов. Интенсификация минерализации торфа активизирует развитие последних, и поэтому их численность в торфах низинного типа может быть в 27-32 раза больше, чем в почвах верхового.Анализ комплекса микроскопических грибов в условиях разной степени нефтяного загрязнения торфа (от 0,02 до 60%), в том числе и на рекультивированных участках, показал, что общая численность грибов в среднем колебалась от 60 до 130 тыс. КОЕ/г (колониеобразующих еди
ниц) сухой массы на разных месторождениях[15]. Обнаружена обратная зависимость между численностью грибов и процентным содержанием нефти только для сильнозагрязненных образцов (при содержании нефти свыше 10%).
Видовой состав микроскопических грибов в центре свежего разлива под воздействием высокого уровня (40-60%) загрязнения значительно изменяется: при резком снижении видового богатства место доминирующих в данных торфяниках пенициллов занимают Trichoderma аи- reoviride Rifai и Mycelia sterilia. В то же время на участках с низким содержанием свежей нефти (1-2%) заметного снижения видового разнообразия и смены доминирующих видов грибов не происходит, но отмечено некоторое уменьшение обилия пенициллов и появление дрожжеподобных грибов, например, Aureobasidium pullulans (de Вагу) Frnaud. В нижележащих (15 см и ниже) горизонтах торфяника в зоне свежего разлива при содержании нефти 1-2% численность микроми- цетов достаточно высока, доминируют темно-окрашенные, дрожжевые и/или дрожжеподобные грибы с почкующимися спорами (A. pullulans, Oospora variabilis (Linder) Lundau, Oidiodendron tennuissimum (Peck) Hughes).
Отмечается сопряженность в изменении количественного содержания грибов и интенсивности протекания процесса минерализации. Корреляционная зависимость этих характеристик положительная и очень высокая (^xy = 0,739).
Таким образом: микробиологическое сообщество в торфяной среде весьма значительно и разнообразно; различные виды торфа имеют специфические отличия по содержанию микробиологической фауны; при контакте с нефтью происходит существенная трансформация микробиоты; одни формы, виды угнетаются, а другие используют нефтяной субстрат в качестве питательной среды.
Лабораторные исследования динамики нефтесодержания в торфе естественной влажности под воздействием торфяной засыпкиВыполненные в лабораторных условиях в Институте природопользования HAH Беларуси исследования действия засыпок подсушенного тор-
фа (со = 44%) на нефтезагрязненный пушицевый верховой и низинный
осоковый торфа показали следующее. На основании литературных и экспериментально полученных данных можно предположить, что при уровнях загрязнения болотных и почвенных экосистем нефтью выше 20-25 л/м2 восстановление природных биосферных функций естественных ценозов практически невозможно; при уровнях загрязнения 10-20 л/м2 для восстановления соответствующих экосистем необходимо проведение интенсивных ре- культивационных мероприятий; при уровнях загрязнения lt; 10 л/м2 возможно восстановление биоценозов за счет процессов самоочищения. Использование активных рекультивационных мероприятий на болотных экосистемах, загрязненных нефтью, связанных с разрушением биопродуцирующего торфогенного слоя, недопустимо вследствие нарушения торфообразовательного процесса, ускорения процессов минерализации органического вещества торфа, интенсификации проникновения загрязнителя в нижележащие анаэробные слои залежи. В нефти, находящейся на поверхности болота под прямыми солнечными лучами, возможна интенсификация радикально-полимеризацион- ных процессов, в результате чего образующиеся высокомолекулярные системы будут разлагаться медленнее. Как следует из литературных и полученных экспериментальных данных, использование мягких технологий (засыпка загрязненных нефтью болотных ценозов дисперсным торфом) имеет ряд преимуществ. Благодаря капиллярным эффектам загрязнитель частично переводится в активную зону разложения, тем самым снижая нагрузку на биопродуцирующий слой, ответственный за восстановление естественных природных функций ценоза. В системе «торфяная залежь - нефть - дисперсный торф» активность разложения загрязняющего вещества не только не снижается, но в некоторых случаях интенсифицируется за счет использования биодеструктивного потенциала нанесенного торфа, содержащего значительные количества окисляющего агента (кислорода воздуха).
В этом случае в отсутствие открытого солнечного света не происходит радикально-полимеризационных процессов и нефть находится в состоянии, доступном для ее биоутилизации. В процессе разрушения нефти в торфяной залежи активное участие принимают все составляющие микробиоценоза залежи: бактерии, ак- тиномицеты и микромицеты. Наиболее благоприятные условия для развития микробного ценоза, деградирующего нефть, складываются при внесении на торфогенный слой, загрязненный нефтью, сорбента (дисперсного торфа). Прирост численности всех составляющих микробиоценоза свидетельствует об интенсивности протекания деструктивных процессов и хорошей аэрации в системе «залежь - нефть - торфяная засыпка». Интенсификация деятельности аборигенной микрофлоры возможна добавками небольших количеств специальных микробных препаратов в присутствии элементов минерального питания.В Уральском государственном лесотехническом университете, экспериментируя в лаборатории с сухим измельченным, используемым в качестве засыпки верховым сфагновым торфом ю = 55-60%, С.В. Залесов с коллегами пришли к следующим выводам. Использование технологии засыпки загрязненных нефтью торфяных залежей подсушенным торфом имеет ряд преимуществ. Благодаря адсорбции загрязнитель частично переводится в активную зону разложения, тем самым снижая нагрузку на биопродуцирующий слой, ответственный за восстановление естественных природных функций ценоза. В процессе разрушения нефти в торфяной залежи активное участие принимают все составляющие микробиоценоза залежи: бактерии, ак- тиномицеты и микромицеты. Наиболее благоприятные условия для развития микробного ценоза, расщепляющего нефть, складываются при внесении на торфогенный слой, загрязненный нефтью, сорбента. В данном случае - торф в воздушно-сухом состоянии. Прирост численности всех составляющих микробиоценоза свидетельствует об интенсивности протекания деструктивных процессов и хорошей аэрации в системе «залежь - нефть - торфяная засыпка». Интенсификация деятельности аборигенной микрофлоры возможна добавками определенных количеств минеральных удобрений и раскислением торфа. Проведенный модельный эксперимент по рекультивации загрязненной торфяной залежи слоем подсушенного торфа имеет положительный результат. При таком методе рекультивации идет активизация деструктивных процессов в слое торфа. Можно рекомендовать проведение этого опыта в расширенном варианте в природных условиях.