СПОСОБ ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ ГРУНТОВ ОТ ЗАГРЯЗНЕНИЙ НЕФТЬЮ, НЕФТЕПРОДУКТАМИ И ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2015 года по МПК B09C1/10 

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.

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.,

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.