Биологические методы очистки почвы от нефтяных загрязнений

Наиболее перспективной, на наш взгляд, технологией очистки почвы от нефтяных загрязнений является комплексная технология, включающая использование природных органических сорбентов и биопрепаратов в сочетании с комплексом агротехнических и агрохимических мероприятий. Главной и основной составляющей процесса очистки почвы от нефтяных загрязнений является биодеградация нефти углеводородоокисляющими бактериями.

Осуществление технологии базируется на следующих предпосылках:

а) биопрепараты представляют собой выращенную ассоциацию природных углеводородоокисляющих микроорганизмов и активизирующих процесс добавок и предназначены для биодеградации нефти и нефтепродуктов при загрязнении почв, водоемов, поверхностей акваторий, а также любых внутренних поверхностей резервуаров.

б) препараты способны действовать в широком диапазоне кислотности среды (pH 3-8,5) и температур - от 5 до 40° С;

в) биопрепараты адаптированы к средам с соленостью до 150 мг/л и могут очищать почву с загрязненностью свыше 20 г/кг и воду, содержащую более 5 % нефти;

г) после применения препаратов остается легко разлагающийся бактериальный белок и экологически чистые нейтральные продукты разложения углеводородов нефти;

д) все виды микроорганизмов, входящих в состав препаратов, не обладают токсигенностью, а сами препараты в процессе применения не вызывают раздражения и не проникают через кожу.

В Удмуртии биологические методы удаления нефтяных загрязнений исследовались в лаборатории УдмуртНИПИнефть под руководством Ф.А. Каменщикова и Н.Л. Черных.

Целью этих работ явилась необходимость сравнительного изучения возможности использования биопрепаратов и сорбентов как отечественного. так и импортного производства («Пит Сорб») для очистки воды и грунта применительно к условиям Удмуртии.

Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи;

1. Проверка активности биопрепарата «Родер» при очистке моделей грунта и воды, загрязненных нефтью Ельниковского месторождения при концентрации загрязняющего агента 5 % (50000 мг/кг) и 0,1 % (100 мг/л) соответственно, и сравнение ее с активностью аборигенной микрофлоры.

2, Проверка эффективности очистки моделей грунта и воды, загрязненных нефтью Ельниковского месторождения в тех же концентрациях биопрепаратом «Родер» в присутствии сорбентов «Пит Сорб» и активированного местного торфа в сравнении с аборигенной микрофлорой.



В экспериментах использовалась нефть Ельниковского месторождения, содержащая % вес: асфальтены - 5,19; смолы - 20,82; парафины - 3,37; серу - 2,64; с вязкостью при 20° С - 54,80 мПа*с, плотностью 0,8964 г/см3 и температурой застывания минус 8° С.

В качестве модели грунта использовался песок с размером зерен до 100 мкм. Одна порция песка с целью определения примесей и среды была промыта дистиллированной водой в соотношении 1:1, в которой после фильтрования были определены: pH = 6,92; ионы, (мг/л): = 23,87; = 23,18; Ca+2 = 1,43; Mg+2 = 1,45; (К + Na)+1 = 22,13; Cl-1 = 9,79; общая минерализация - 0,082 г/л.

В качестве модели воды, а также для увлажнения модели грунта, для приготовления раствора солей источников дополнительного питания для бактерий из биопрепарата и для аборигенной микрофлоры, -использовалась водопроводная вода, содержащая ионы (мг/л): = 21,40; = 39,08; Cl-1 = 18,27; Ca+2 = 31,4; Mg+2 = 10,99; (К + Na)+' = 17,59; с общей минерализацией 0,24 г/л; pH = 7,19; плотность 1,000 г/см .

Биопрепарат «Родер», используемый в эксперименте, является смесью двух штаммов Rhodococcus Sp (№1418 и 1715), разрешенных Министерством охраны окружающей среды и природных ресурсов Российской Федерации (Сводное заключение № 11-27/203 от 5 мая 1994 г.) к экспериментальной проверке в полупромышленных условиях. Препарат представляет собой сметанообразную массу из живых, сконцентрированных методом ультрафильтрации, клеток двух штаммов родококков с титром 1x10 кл/мл.

Препарат перед применением разводился таким образом, чтобы число живых клеток не превышало в почве 1x10в6-8 кл/мл; в воде 1x10в4 кл/мл в соответствии с ПДК, установленным для препарата Комитетом Российской Федерации по рыболовству (письмо № 12-04-11 от 17.01.1995 г.).

Для интенсификации процессов жизнедеятельности бактерий биопрепарата «Родер» в рабочую суспензию препарата перед его применением добавлялся раствор солей в качестве дополнительных источников азота, фосфора, калия. Точно такой же раствор солей и в той же концентрации добавлялся в контрольные сосуды для питания аборигенных бактерий, причем концентрация солей в моделях воды была в 10 раз ниже, чем в моделях грунта, как в контроле, так и в опыте.

«Пит Сорб» - специально приготовленный сорбент на основе канадского мха.

Торф, используемый в эксперименте, взят с месторождения «Сокол» (Удмуртия) и предварительно обработан по специально разработанной методике УдмуртНИПИнефть.

Модели грунта (навески по 500 г) помещались в кристаллизаторы стеклянные, куда затем добавлялась нефть в количестве 5 % от массы грунта (5 % загрязнителя - очень высокий уровень загрязнения по классификации Министерства охраны окружающей среды и природных ресурсов).

В вариантах с сорбентами вносились определенные навески «Пит Сорб» или торфа в сосуды с загрязненной моделью песка или воды. Затем в контрольные сосуды добавлялись или водопроводная вода для увлажнения модели грунта, или раствор солей для активизации аборигенной микрофлоры. В опытные сосуды в таком же объеме добавлялся препарат вместе с раствором солей. Все тщательно перемешивалось до однородного состояния, и отбирались из всех вариантов, в том числе контрольных, пробы грунта в количестве 3 г для фиксирования нулевой точки (исходного уровня) загрязнения.

Отбор проб грунтов для анализа нефтяного загрязнения производился из каждого кристаллизатора в трех-пяти точках шприцом емкостью 5 см3 с отрезанным носиком. Шприц вертикально вводился в грунт, отбирались образцы объемом 2 см3, которые переносились в бюкс емкостью 20-25 мл и тщательно перемешивались. Если анализ не проводился сразу, то бюкс закрывался крышкой и помещался в морозильную камеру.

Модель воды (водопроводная вода) разливалась по 400 мл в стеклянные стаканы емкостью 800-1000 мл, в которые добавлялась нефть в количестве 0,5 мл, т. е. 0,1 % (0,1 % - уровень загрязнения соответствует 1000 мг/л - низкий уровень). В варианты с сорбентами добавлялись нужные концентрации «Пит Сорб» или активированного торфа. Дозировался также, где это требуется по условиям опыта, раствор солей без или с биопрепаратом «Родер». Поставлены три параллельных опыта. Нулевая проба на содержание загрязняющего агента была взята также и из стаканов, в которые были внесены сорбенты, чтобы проконтролировать изменение ионного состава в воде из-за внесения «Пит Сорб» и торфа.

Эксперименты на моделях загрязненного грунта и воды проводились при комнатной температуре и естественном освещении. Для поддержания моделей грунта во всех вариантах опыта в слегка увлажненном состоянии осуществлялся полив из лейки несколько раз (2-4 раза) в неделю в зависимости от температуры окружающего воздуха. После полива модель грунта тщательно перемешивалась, начиная с контрольных вариантов, для того чтобы увлажнение было равномерным. В емкости с водой подливали водопроводную воду по мере испарения, ориентируясь на отметку уровня воды (первоначальный объем) в каждом сосуде.

Анализ исходного уровня загрязнения и дальнейший мониторинг процесса очистки модели грунта и воды от нефтяного загрязнения проводился в соответствии с общепринятыми методами. Для сохранения пробы в течение нескольких дней в неизменном виде она хранилась в плотно закрывающейся емкости в морозильной камере. Перед анализом образец выдерживали при комнатной температуре в течение 2-3 часов не вынимаемым из емкости. Затем проба грунта в открытом бюксе помещалась в сушильный шкаф и выдерживалась при 105° С в течение 60 мин. При этом происходит испарение легких фракций углеводородов. Затем из бюкса брали на аналитических весах навеску в 3 г, заворачивали в фильтровальную бумагу, делая пакетик как для аптечных порошков, и экстрагировали в аппарате «Сокслета» хлороформом или четыреххлористым углеродом до тех пор, пока растворитель, капающий с пакетика, не становился бесцветным. Экстракция велась при нагревании на водяной бане или закрытой плитке при температуре кипения растворителя. Далее анализ проводился так же, как описано для арбитражного метода анализа воды, загрязненной нефтью или нефтепродуктами. Хлороформ, так же как и четыреххлористый углерод, извлекает при экстракции из грунтов кроме углеводородов всю имеющуюся в грунте органику, что может искажать результаты анализа, если не учитывать эту органику. Поэтому обязательно берется холостая проба (0-й вариант) из того же грунта без загрязнения, проводятся все ступени анализа и получившийся остаток от упаривания хлороформа после экстракции в аппарате «Сокслета» вычитается из хлороформенного остатка, доведенного до постоянного веса опытного образца. Проба модели воды (весь объем 400 мл) анализируется также по общепринятой методике. Определяется гравиметрическим методом: 1) общее содержание веществ, экстрагируемых хлороформом; 2) содержание нефтепродуктов; 3) содержание нафтеновых кислот.

Микробиологический контроль эксперимента состоит в учете числа жизнеспособных клеток в биопрепарате, в контрольных и опытных сосудах на питательных средах: мясопептонный агар (МПА), мясопептонный бульон (МПБ) и среда «Раймонда» (для углеводородокисляющих бактерий) методом предельных разведений.

Осуществлялся визуальный контроль за состоянием моделей грунта и воды в процессе очистки. Пробы на химический и микробиологический анализы помимо «нулевой точки» отбирались через каждые 18 суток.



0. Контроль - модель грунта + вода

1. Контроль - модель грунта + вода + нефть

2. Контроль - модель грунта + вода + нефть + соли (аборигены)

3. Опыт - модель грунта + вода + нефть + соли + «Родер»

4. Контроль - модель грунта + вода + нефть + соли + «Пит Сорб» (аборигены)

5. Опыт - модель грунта + вода + нефть + соли + «Пит Сорб» + «Родер»

6. Контроль - модель грунта + вода + нефть + соли + торф (аборигены)

7. Опыт - модель грунта + вода + нефть + соли + торф + «Родер»



0. Контроль - вода без загрязнения

1. Контроль - вода + нефть

2. Контроль - вода + нефть + соли (аборигены)

3. Опыт - вода + нефть + соли + «Родер»

4. Контроль - вода + нефть + соли + «Пит Сорб» (аборигены)

5. Опыт - вода + нефть + соли + «Пит Сорб» + «Родер»

6. Контроль - вода + нефть + соли + торф (аборигены)

7. Опыт - вода + нефть + соли + торф + «Родер»



Результаты анализа начального уровня загрязнения во всех вариантах опытов представлены в таблице 3.21. Как видно из представленных данных, в исходной модели грунта присутствуют углеводороды в количестве 2,3 г/кг. В опыт было взято нефтяное загрязнение, соответствующее 50 г/кг. Только в двух случаях (вар. 4 и 7) анализ показал хорошую сходимость с расчетным уровнем загрязняющего агента (нефть Ельниковского месторождения). В остальных случаях получены заниженные данные. Одна из целей анализа «нулевой» точки эксперимента -выявить возможные искажения, которые могут вносить в анализы присутствие солей, биопрепарата «Родер», адсорбентов («Пит Сорб», торф). Однако полученные данные (табл. 3.22) убеждают в том, что больших искажений вышеперечисленные компоненты не вносят.

Численность внесенных с биопрепаратом клеток родококков равнялась 1*10в7 кл/мл, численность аборигенных бактерий составляла 1*10в7 кл/мл. По видовому составу - это главным образом «псевдомонады».

Через 18 дней от начала эксперимента до повторного внесения раствора солей без или вместе с биопрепаратом был проведен визуальный контроль сосудов. Влажность модели грунта, загрязненного нефтью, была удовлетворительной (полив осуществлялся 2 раза в неделю). Модель грунта, не загрязненная нефтью, была на вид очень сухой. Модели загрязненного грунта с «Пит Сорб» визуально были чуть светлее по цвету, чем остальные варианты. Из каждого опытного сосуда отбирались пробы на анализ уровня загрязнения, на микробиологический контроль и контроль величины pH. Микробиологический контроль предполагал отбор 1 г модели грунта в стерильную пробирку. Туда же добавлялись 9 мл 0,5 % раствора NaCl и 1-2 капли твина 80 (0,01 % раствор), чтобы смыть клетки с песчинок и пленки нефти. Все тщательно в течение 3-х минут встряхивалось. После отстаивания в течение 15 мин отбирался 1 мл надо-садочной жидкости, делались разведения и затем рассев на МПА, МПБ и среду Раймонда. Оставшаяся жидкость использовалась для определения pH и водорастворимых микробных метаболитов.

Во всех вариантах, в том числе и в I варианте - контрольном, куда не вносилось дополнительное питание в виде раствора солей, идут процессы деградации нефтяных загрязнений различной интенсивности. Достаточно интенсивно идут очистительные процессы в случае внесения биопрепарата «Родер» как индивидуально, так и в сочетании с активированным торфом (варианты 3, 7): процент очистки составил величины соответственно 53,6 % и 53,9 %. Несколько менее интенсивен процесс очистки в варианте применения биопрепарата с «Пит Сорб» - 33,5 % (вариант 5). Ho аборигенные бактерии с этим же сорбентом и добавкой раствора солей азота, фосфора и калия показали самый высокий уровень очистки на 18 сутки от начала эксперимента — 66,1 %. А в варианте с торфом и солями аборигенные бактерии снижают уровень загрязнения на 54,9 % за такой же период времени.

После отбора всех необходимых проб в контрольные сосуды были внесены или вода, или раствор солей, а в опытные сосуды вносилась новая порция биопрепарата вместе с солями в тех же объемах, что и жидкости в контрольные варианты.

Через 36 суток от начала эксперимента до начала третьей обработки был проведен визуальный контроль всех сосудов. Отобраны пробы для микробиологического и химического анализов. Влажность моделей грунта во всех вариантах была удовлетворительной. Модели грунта, в которых присутствовали «Пит Сорб» или активированный торф, визуально были светлее, чем другие модели грунта. В сосудах, где применялся биопрепарат «Родер», нефтяной запах был слабее, чем в контрольных сосудах с аборигенной микрофлорой,

И в этот раз после отбора всех необходимых проб в контрольные сосуды были внесены вода или раствор солей, а в опытные сосуды добавлена следующая порция биопрепарата вместе с солями в тех же объемах, что и жидкости в контрольные варианты.

Через 90 суток от начала эксперимента и через 54 дня после последнего внесения биопрепарата был проведен визуальный контроль всех вариантов очистки моделей грунта. Отобраны пробы и проведен химический и микробиологический анализ.

Интенсивность биодеградации нефтяного загрязнения представлена в таблице 2.21 и на рисунках 3.47 и 3.48. Из приведенных данных видно, что даже там, где не добавлялся раствор солей, дополнительного источника легко усвояемых азота, фосфора и калия, на одной водопроводной воде идет процесс очистки, и уровень загрязнения снижается.



Результаты анализа начального уровня загрязнения в нескольких вариантах опытов представлены в таблице 3.22 и на рисунке 3.48. Через 18 дней от начала постановки опытов проведен визуальный контроль за состоянием процесса очистки модели воды, загрязненной нефтью Ельниковского месторождения (0,1 %).



0. Вода - без изменений.

1. Вода + нефть - пленка нефти визуально не изменена.

2. Вода + нефть + соли - пленка нефти визуально без особых изменений.

3. Вода + нефть + «Родер» + соли - нефть сильно биодеградирована (в виде вязкого комка, раствор мутный, на поверхности слабая радужная пленка).

4. Вода + нефть + «Пит Сорб» + соли - нефть вся адсорбирована на частичках мха, часть частиц мха с нефтью упала на дно стакана. Раствор слегка мутный.

5. Вода + нефть + «Пит Сорб» + «Родер» + соли - нефть отсутствует, т.к. вся адсорбировалась на мхе и почти вся опустилась на дно сосуда. На стенках сосуда пленка нефти как бы «присохла» в виде тончайшей пленки и не смывается при взбалтывании раствора. На поверхности водного зеркала радужная пленка, раствор мутный.

6. Вода + нефть + соли + торф - нефть вся адсорбировалась на крупинках торфа, больше половины крупинок торфа с нефтью осели на дно. Раствор слабо-мутный.

7. Вода + нефть + соли + торф + «Родер» - нефть в виде мягкого комка, остальная поверхность сосуда чистая. На поверхности водного зеркала очень слабая радужная пленка. Часть нефти, адсорбировавшейся на торфе, опустилась на дно сосуда. Раствор мутный, зеленого цвета от водорослей, которые скопились главным образом на дне сосуда.

Экспериментальные данные однозначно показывают, что внесение биопрепарата «Родер» вместе с сорбентами (активированный торф или «Пит Сорб») или без них улучшает процессы биодеградации нефтяного загрязнения в 2-2,5 раза.

По результатам исследований проведенных в лабораториях института «УдмуртНИПИнефть» можно сделать следующие выводы:

1. Биопрепарат «Родер», рекомендованный для очистки грунтов и водной поверхности от нефтяных загрязнений, показал хорошую биодеградирующую активность при очистке модели грунта применительно к условиям Удмуртии: после трехкратной обработки модели грунта уровень загрязнения снизился на 58,0 % , что в 3,4 раза превышает контроль и в 1,6 раза активность аборигенной микрофлоры, которая была простимулирована добавкой легкоусвояемых источников азота, фосфора и калия.

2. Биопрепарат «Родер» после трехкратной обработки модели воды снизил уровень загрязнения на 67,3 %, что в 3,8 раза превышает контроль и в 2,4 раза биодеградирующую активность аборигенной микрофлоры, также простимулированной добавками раствора солей.

3. Применение местного активированного торфа вместе с биопрепаратом «Родер» после трехкратной обработки объекта позволило получить самый высокий процент очистки модели грунта - 80,2 %.

4. Активизация аборигенной микрофлоры легко доступными источниками азота, фосфора и калия в сочетании с сорбентами «Пит Сорб» или активированным торфом ускоряет процессы естественного восстановления грунтов от нефтяного загрязнения.

5. Местный активированый торф предпочтительнее «Пит Сорб» при очистке грунтов от нефтяных загрязнений ввиду его более низкой стоимости и хорошей эффективности.

6. При очистке грунтов целесообразно использовать местный активированный торф после внесения дополнительных легко доступных источников азота, фосфора и калия для активизации деструктирующей активности аборигенной микрофлоры. Необходимо поддержание влажности в очищаемом грунте на уровне 15-20 %, рыхление с целью увеличения доступа кислорода, необходимого для процессов деградации загрязнителя.

7. Применение биопрепарата «Родер» в сочетании с местным активированным торфом позволит быстрее и качественнее провести очистку грунтов от нефтяных загрязнений.

8. Применение биопрепарата «Родер» целесообразно для очистки водной поверхности без добавки каких-либо сорбентов, особенно при среднем и низком уровне загрязнения по классификации Минэкологии России.

9. Для отработки технологии рекультивации загрязненных земель и ее оптимизации необходимо провести лабораторные и опытно-промышленные испытания в полевых условиях.

Учитывая большую важность решения проблем, связанных с защитой окружающей среды, сохранения экологического равновесия, несмотря на все большее вторжение техногенных факторов в природную среду, в последнее время стало уделяться все большее внимание использованию передовых технологий и реагентов для ликвидации загрязнений, связанных с разливом нефтепродуктов и других жидкостных загрязнителей. Наибольший прогресс в этой области достигнут зарубежными фирмами и компаниями. Так, слияние двух американских компаний с мировым именем Эластэк Инк и Американ Марин дало им возможность стать единым мощным высокопрофессиональным производителем экологического оборудования. Барабанные скиммерные нефтесборщики быстро получили признание во всем мире как наиболее эффективное оборудование для сбора нефти и нефтепродуктов с водной поверхности. Отличительной особенностью данного оборудования от аналогичных скиммерных устройств является то, что оно собирает только нефтепродукты, не впитывая в себя воду. Боновые заграждения этой компании, а также сопутствующее оборудование широко используются во время ликвидации нефтяных разливов.

Финская фирма Ламор Корпорейшин АБ специализируется на изготовлении механических жесткощеточных нефтесборщиков. Вращающиеся щетки притягивают нефть под поверхностью воды. Нефть плотно осаждается на щетках, которые при последующем вращении очищаются лезвием. Нефть, собранная с помощью чистящего лезвия, стекает через слив в резервуар для нефти. При этом количество захваченной с нефтью воды не превышает 5-10%. Фирма производит различные по габаритам и производительности сборщики, начиная от ручных - до больших размеров, монтируемых на катерах и морских судах.

Всемирно известная датская фирма РО-КЛИН-ДЕСМИ специализируется на выпуске боновых защитных устройств, имеющих высокую эффективность применения для очистки больших водных поверхностей в сложных условиях.

Большие достижения в области разработки химических реагентов для очистки различного рода загрязнений от разлива нефтепродуктов и углеводородосодержащих жидкостных смесей достигнуты зарубежными фирмами. Так, фирмой XSORB Super Absorbent разработан целый ряд абсорбирующих веществ, обладающих высокой активностью.

Как работает XSORB ?

XSORB абсорбирует жидкие вещества посредством абсорбции кварцевыми минералами и их застывания. Благодаря огромному количеству внутренних клеток, частицы XSORB, в сравнении с их объемом, охватывают значительные площади поверхности. Эта форма обладает прекрасными связывающими характеристиками. Абсорбированная жидкость удерживается внутри частиц XSORB, не растекаясь и не выщелачиваясь после утилизации. XSORB, контактируя, устраняет разлив жидкости животного, минерального, химического, растительного происхождения (за исключением фтористого водорода).

XSORB Universal - универсальный абсорбент при взаимодействии впитывает любую жидкость. Предназначен для использования в помещениях ми снаружи при очистке загрязнений на всех типах твердой поверхности. Кроме нефтепродуктов абсорбирует масляные продукты, краску, охлаждающую жидкость, эмульсии, кислоты, за исключением фтористоводородной и др.

XSORB Select - уникальный продукт, произведенный по запатентованной технологии XSORB, предназначен для специального удаления продуктов на нефтяной основе, включая нефть, бензин, дизельное топливо, ксилол, толуол, уайт-спирит с водных поверхностей. Реагент, распределяясь на водной поверхности тонким слоем, абсорбирует углеводородные соединения, при этом отталкивает воду. Последнее имеет большое значение, так как снижает расход реагента на очистку водной поверхности.

Суперабсорбент Select предназначен для быстрого образования барьера из абсорбента на пути движущейся жидкости с нефтепродуктами. Рукава, заполненные XSORB Select, удерживаются на поверхности воды неограниченное время даже тогда, когда полностью пропитываются нефтью. Для удаления использованных рукавов они легко связываются в компактные упаковки при помощи шнуров.

XSORB Select Netted Booms - рукава, покрытые сеткой, предназначены для очистки больших водных поверхностей. Применяют их также для очистки днища нефтетанкеров и др.

Продукция XSORB Super Absorbent хранится и транспортируется к месту загрязнения в специальных бочках, которые повторно используются для собранных загрязняющих продуктов. Во всех комплектах предусмотрены респираторы, защитные перчатки и маски.