PFAS: учёные нашли новый быстрый и дешёвый метод очистки сельскохозяйственных почв от PFAS

Сначала на поле наносится тонкий слой измельчённой породы. Затем выращивают коноплю и злаки, собирают заражённую биомассу и подвергают её очень высоким температурам. Полученный углеродистый материал в конечном итоге возвращается в почву, где, как предполагается, он задержит часть PFAS, оставшихся в почве.

Это стратегия, описанная группой учёных под руководством Йельского университета, в исследовании, опубликованном в Труды Национальной академии наук США. По расчетам, она может стоить чуть более 29 тысяч долларов за гектар за двадцать лет, по сравнению с 800 тысяч–1,6 миллионами, которые США требуют за наиболее интенсифицированные очистные работы. Пока же очищенное поле существует лишь в статистических моделях, созданных на основе уже доступных экспериментальных данных.

Удобрения, приведшие PFAS на поля

Проблема росла вместе с практикой, которую годами считали выгодной и циркулирующей: использовать биосоли́ды в качестве удобрений, то есть обработанные осадки сточных вод. Они богаты такими элементами, как азот и фосфор, поэтому способны заменить часть обычных удобрений. Но вместе с полезными веществами они могут тащить за собой вещества, сбрасываемые в канализацию домами и промышленностью.

Обычные очистные сооружения не удаляют и не разрушают PFOA и PFOS. Эти два соединения могут концентрироваться в осадках, попадать в почву и перемещаться к грунтовым водам, водотокам, растениям и животным. Об этом напоминает Агентство по охране окружающей среды США в своей предварительной оценке рисков, связанных с биосолидами.

Оценка EPA касается моделируемых сценариев и лишь двух веществ из обширной семьи PFAS. Однако указывается, что в определённых условиях даже осадки с концентрациями, близкими к пределам обнаружения, могут приводить к опасной экспозиции для людей, проживающих возле полей, или для потребления в первую очередь молока, яиц, мяса, рыбы и воды из поражённой области. Риск зависит от типа почвы, количества применений, типа культуры и глубины скважин. Два соседних участка могут рассказать разные истории.

Исследование Йеля опирается на данные штата Мэн, американского штата, который в 2022 году запретил распыление осадков на почвах. По данным местного департамента сельского хозяйства, загрязнение PFAS, связанное с биосолидами и другими источниками, коснулось в той или иной мере 90 сельскохозяйственных предприятий. Годами многие фермеры вносили на свои поля дешёвое и разрешённое удобрение. Остальное же попадало без маркировки.

Базальт делает PFOS более доступным для поглощения растениями

Предлагаемая стратегия начинается с внесения тонко измельчённой щелочной породы, например базальта. Прах повышает pH почвы и делает PFOS более подвижным. Эта характеристика используется здесь для облегчения поглощения PFOS корнями.

На поле высаживают культуры, способные накапливать часть загрязнения, в том числе коноплю и многолетние злаки. По модели, управление таким образом pH может ускорить удаление PFOS и сократить сроки очистки более чем на десять лет на почвах, где уровень загрязнения, по мнению авторов, является типичным. Эффект в основном касается PFOS; поведение PFOA отличается, и обширная семья PFAS включает тысячи других веществ. Уже двух таких веществ достаточно, чтобы существенно усложнить урожай.

Заражённая биомасса, естественно, не может попадать в кормовую цепь или пищевую. Она подвергается пиролизу — высокотемпературной обработке в отсутствие кислорода, которая должна уничтожить PFOA и PFOS, присутствующие в растительной ткани. В результате процесса образуется биоуголь, форма растительного угля, который можно вернуть в почву.

Здесь система меняет свою функцию. На первом этапе PFAS становятся более доступными для растений; биоуголь, напротив, связывает оставшиеся и ограничивает их перемещение. Модели оценивают снижение выщелачивания в грунтовые воды более чем на 95%. Добавлять его слишком рано может замедлить поглощение растениями; сроки и количества следует подбирать в зависимости от уровня загрязнения и особенностей поля.

Сумма в 29 тысяч долларов включает также CO2

Средняя ожидаемая стоимость по оценкам авторов составляет около 1 460 долларов за гектар в год. Повторяя обработку в течение максимального срока двадцати лет, получается чуть более 29 тысяч долларов за гектар, включая компенсацию за потерянный доход фермера во время очистки. Эта сумма значительно ниже, чем затраты на копку загрязнённого грунта, его транспортировку и термическую обработку всего слоя почвы.

В цену также входит экономическая стоимость удалённого диоксида углерода. Базальт, претерпевая изменения, реагирует с CO2, а биоуголь удерживает часть углерода, поглощённого растениями. По модели, применение системы на примерно один миллион гектаров сельхозугодий США может удалить из атмосферы около 10,5 миллионов тонн CO2 в год. Доходы от удаления углерода существенно снижают итоговую стоимость очистки: без рынка, готового их признать, счёт бы вырос.

Даже климатический баланс должен выйти за пределы компьютера. Разбивка и транспортировка породы, сбор биомассы, транспортировка на установки и подача на пиролиз требуют энергии. Авторы включили эти выбросы в моделирование, но реальное применение будет зависеть от расстояний, доступности установок и возможности использовать передвижные установки непосредственно рядом с полями. Перемещение тонн базальта и урожая по территории США вряд ли возможно только за счёт фотосинтеза.

Работа объединяет техники, изучавшиеся ранее по отдельности, и превращает их в единую стратегию: растения извлекают часть загрязнения, пиролиз обрабатывает собранную биомассу, биоуголь ограничивает распространение, а базальт изменяет почву и дополнительно способствует поглощению CO2.

Теперь систему нужно будет испытать в течение нескольких лет на реальных полях, где важны тип почвы, состав PFAS, урожайность культур и расстояние до пиролизных установок. Руководство, тем временем, конкретное: очищать почву, не вырывая её, сезон за сезоном, вместо того чтобы раскопать её и превратить в гору отходов для перевозки в другое место.