Способ очистки водоемов и почв от нефтяных загрязнений

 

Изобретение относится к способам ликвидации нефтяных загрязнений биологическими методами в местах разливов нефти и нефтепродуктов при их добыче, транспортировке, хранении и использовании, в том числе для ликвидации крупных скоплений нефти и нефтепродуктов в углублениях земной поверхности, превратившихся в течение времени в плотную битумоподобную массу. Способ предусматривает нанесение препарата углеводородокислящих микроорганизмов на нефтесубстрат загрязненного участка. Перед нанесением микроорганизмы препарата культивируют в среде, содержащей нефтесубстрат загрязненного участка. Причем нефтесубстрат берут в количестве, которое обеспечивает симбиотический рост углеводородокисляющих микроорганизмов препарата и нефтесубстрата. Наличие симбиотического роста легко определяется в процессе культивирования общеизвестными экспресс-методами. Способ обеспечивает повышение активности углеводородокисляющих микроорганизмов препарата и нефтесубстрата и их конкурентоспособности по отношению к тем микроорганизмам нефтесубстрата, которые не являются углеводородокисляющими. Способ обеспечивает более полную очистку водоемов и почв от нефтяных загрязнений и нормализует микрои макрофлору загрязненного участка. 3 з.п. ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к способам ликвидации нефтяных загрязнений биологическими методами в местах разливов нефти и нефтепродуктов при их добыче, транспортировке, хранении и использовании, в том числе для ликвидации так называемых "амбаров" - крупных скоплений нефти и нефтепродуктов в углублениях земной поверхности, превратившихся с течением времени в плотную битумоподобную массу.

Известны способы очистки водоемов и почв, основанные на использовании деятельности углеводородокисляющих микроорганизмов естественных биоценозов в местах нефтяных загрязнений, путем внесения в нефтесубстрат (загрязненная нефтью и/или нефтепродуктами почвенная и/или водная среда, содержащая углеводородокисляющие микроорганизмы и служащая основой для их развития) дополнительных источников питания, в том числе модифицированных для придания им требуемых свойств, таких, например, как плавучесть, диспергирующая способность, пролонгированное выделение азота и т.д. (патенты США NN 3959127, 4087356, 4230562; Великобритании NN 1542154, 2115339). Однако использование таких способов не позволяет достичь удовлетворительной степени и сроков очистки из-за недостаточно высокой углеводородокисляющей способности микроорганизмов естественных биоценозов.

Наиболее близким к изобретению является способ очистки водоемов и почв от нефтяных загрязнений, предусматривающий нанесение препарата углеводородокисляющих микроорганизмов (как монокультур, так и консорциумов) на нефтесубстрат загрязненного участка (НИИСЭНТИ НПО "Медбиоэкономика". Обзорная информация. Защита окружающей среды, утилизация отходов, очистка сточных вод и выбросов, промышленная санитария и гигиена в медицинской промышленности. 1992, выпуск 3: биотехнология очистки нефтезагрязненных территорий, с. 29).

Несмотря на более высокую эффективность такого способа в сравнении с предыдущими, при его использовании также возникают определенные трудности. Так, полученные как правило в результате селекции или методами генной инженерии штаммы углеводородокисляющих микроорганизмов, входящие в состав препаратов, при внесении на нефтезагрязненные участки не всегда выдерживают конкуренции с местной микрофлорой, в результате чего последняя быстро подавляет искусственно созданные штаммы, и интенсивность биодеструкции оказывается ниже ожидаемой. Проблему не решило ни использование в препаратах чистых культур, выделенных из естественных биоценозов, ни введение в состав питательной среды для получения препаратов специфических для загрязнений углеводородов, поскольку различные нефтезагрязнения могут существенно отличаться фракционным составом углеводородов, что предполагает необходимость использования специфичных для данного состава микроорганизмов-биодеструкторов.

Задача изобретения - создание такого способа очистки водоемов и почв от нефтяных загрязнений, который благодаря специальной подготовке входящих в состав препарата микроорганизмов перед его нанесением на нефтесубстрат обеспечил бы повышение активности углеводородокисляющих микроорганизмов препарата и нефтесубстрата и их конкурентоспособности по отношению к тем микроорганизмам нефтесубстрата, которые не являются углеводородокисляющими, и тем самым позволил бы полнее ликвидировать нефтяные загрязнения.

Задача решается тем, что в способе очистки водоемов и почв от нефтяных загрязнений, предусматривающем нанесение препарата углеводородокисляющих микроорганизмов на нефтесубстрат загрязненного участка, согласно изобретению микроорганизмы препарата перед упомянутым нанесением культивируют в среде, содержащей нефтесубстрат загрязненного участка, взятый в количестве, обеспечивающем симбиотический рост углеводородокисляющих микроорганизмов препарата и нефтесубстрата загрязненного участка.

Указанное культивирование микроорганизмов в среде, содержащей нефтесубстрат загрязненного участка, позволяет адаптировать их к существованию в условиях данного нефтезагрязнения, а именно к его химическому составу и видовому составу его природной микрофлоры. Гарантией этого является такое соотношение препарата и нефтесубстрата в культивационной среде, при котором имеет место симбиотический рост углеводородокисляющих микроорганизмов препарата и нефтесубстрата, поскольку такой рост свидетельствует о повышении активности как микроорганизмов препарата, так и углеводородокисляющих микроорганизмов нефтесубстрата, а также об увеличении их конкурентоспособности по отношению к другим микроорганизмам, населяющим данным нефтесубстрат. В результате такой подготовки углеводородокисляющие микроорганизмы активнее и дольше осуществляют биодеструкцию углеводородов нефтесубстрата загрязненного участка, преобразуя их в экологически безвредную биомассу.

Понятие "симбиотический рост", как известно, предполагает наличие более высокого титра биомассы двух или нескольких культур микроорганизмов при их совместном культивировании в сравнении с суммой титров биомасс этих же микроорганизмов при их раздельном культивировании. На практике симбиотический рост считается имеющим место, если отмечается не менее чем двухкратное превышение "титра суммы" в сравнении с "суммой титров". Следует также отметить, что подбор обеспечивающего симбиотический рост количества нефтесубстрата загрязненного участка для добавления в культивационную среду на практике не вызывает затруднений, поскольку может быть осуществлен с помощью общеизвестных экспресс-методов определения титра биомассы микроорганизмов еще на начальных стадиях их роста. Последнее обстоятельство позволяет без существенных материальных затрат и потерь времени, осуществляя скрининг и мониторинг процесса культивирования микроорганизмов в присутствии нефтесубстрата, постоянно корректировать данный процесс для максимизации симбиотического роста.

Поставленная задача решается и тем, что культивирование прекращают до наступления лаг-фазы роста углеводородокисляющих микроорганизмов препарата и нефтесубстрата загрязненного участка. Несмотря на то, что культивирование может быть прекращено на любой стадии роста, целесообразнее осуществлять это до наступления вышеупомянутой фазы, поскольку только на предшествующей ей лог-фазе происходит непрерывное повышение титра биомассы и активности микроорганизмов.

Поставленная задача решается также тем, что культивирование осуществляют глубинным методом в течение 2-24 ч при доле нефтесубстрата в массе культивационной среды 1-50%. Такой способ культивирования предназначен для подготовки микроорганизмов вне загрязненного участка и осуществляется как правило в емкостях с использованием мешалок и/или барботирования. Указанные параметры получены опытным путем и практически являются предельными для данного способа культивирования.

Поставленная задача решается, кроме того, и тем, что культивирование осуществляют путем нанесения препарата на нефтесубстрат части загрязненного участка с экспонированием в течение 1-4 сут. Данный способ культивирования является по существу вариантом использования естественных условий загрязненного участка для подготовки на определенной его части (как правило небольшой) микроорганизмов препарата к использованию с последующим нанесением препарата на нефтесубстрат всего участка. Указанное время экспонирования (выдержки препарата на поверхности нефтесубстрата) является с одной стороны минимально необходимым, а с другой - вполне достаточным для осуществления упомянутого варианта подготовки препарата.

Пример 1. Культивирование микроорганизмов препарата глубинным методом в среде, содержащей нефтесубстрат загрязненного участка. В лабораторных условиях был поставлен опыт по определению количества нефтесубстрата, необходимого для обеспечения симбиотического роста углеводородокисляющих микроорганизмов препарата и нефтесубстрата. Использовали препараты двух видов: монокультура ("Путидойл") и консорциум ("Динал"). В качестве нефтесубстрата был взят мазутоподобный нефтепродукт возрастом более 10 лет (Краснокамск, КСНХМ). В колбы с водной суспензией препарата добавляли различное количество нефтесубстрата и устанавливали их на мешалки. По меньшей мере в одну из колб не добавляли нефтесубстрат, а в другую - препарат. После включения мешалок каждые 4 ч на протяжении суток осуществляли отбор проб из колб для определения общего титра биомассы. Результаты испытаний (для препарата "Динал") занесены в таблицу.

Как явствует из таблицы, значительное увеличение общего титра биомассы наблюдалось при доле нефтесубстрата 2-5 мас.%. В дальнейшем происходило постепенное угнетение роста микроорганизмов. Выборочно путем микроскопирования определяли также относительное содержание в культивационной среде дикой углеводородокисляющей микрофлоры нефтесубстрата. Было отмечено существенное усиление ее роста при культивировании в среде, содержащей 2-5 мас.% нефтесубстрата.

При использовании для культивирования легких или жидких нефтесубстратов (разливы нефтепродуктов на песчаных почвах, в водоемах и т.п.) наличие симбиотического роста наблюдалось даже в том случае, когда доля нефтесубстрата в культивационной среде составляла до 50% ее массы. Подобные результаты были получены и в аналогичных опытах с использованием препарата "Путидойл". Значения доли нефтесубстрата при культивировании микроорганизмов, а также длительности такого культивирования целесообразно определять в каждом конкретном случае отдельно, учитывая вид нефтезагрязнения, состав используемого препарата и т.д. Как показали многочисленные испытания, подобное определение может быть без особых ограничений осуществлено в реальных условиях при подготовке к ликвидации нефтезагрязнения. Необходимым и достаточным условием при этом является наличие симбиотического роста углеводородокисляющих микроорганизмов препарата и нефтесубстрата загрязненного участка.

Пример 2. Моделирование процесса биодеструкции сырой (товарной) нефти в оптимальных условиях (аэрирование, температура 30^oС). Процесс биодеструкции сырой нефти осуществляли в двух вариантах: с использованием 100 мл водной суспензии препарата "Динал", содержащей 3% диаммофоса (титр 1,28 х 10¹¹ кл/г); с использованием той же суспензии, которую предварительно культивировали в течение 12 ч в присутствии 7 г нефтесубстрата - сырой нефти (титр 1,38 х 10¹⁵ кл/г; подбор условий культивирования согласно примеру 1).

При использовании первого варианта через 7 сут смесь нефти и препарата гомогенизировалась, приобрела рыжий оттенок, после отстаивания в стационарных условиях наблюдалось расслоение. Придонный слой - коричневого цвета, состоит из отмерших клеток микроорганизмов препарата и продуктов разложения нефти. Деструкция составила 76-77%. При использовании второго варианта аналогичная картина наблюдалась уже через 18 ч. Через 48 ч деструкция составила 98,1%.

Пример 3. Моделирование процесса биодеструкции нефтепродуктов, позволяющее прогнозировать ход биодеструкции в натурных условиях, осуществляли аналогично предыдущему примеру. Отличия состояли в использовании в качестве нефтепродукта, а соответственно и нефтесубстрата, мазута (150 г) и в добавке к суспензии препарата 5% диаммофоса. Титр биомассы в результате культивирования микроорганизмов препарата в присутствии нефтесубстрата увеличился с 1,28 х 10¹¹ кл/г до 1,45 х 10¹⁶ кл/г. В первом случае препарат переводит мазут в легколетучую жидкость, хорошо смачивающую стенки стеклянной посуды и похожую по консистенции на товарную нефть в течение 8 сут. Во втором случае препарат позволяет осуществить подобный процесс за сутки, а через трое суток обеспечивает полную утилизацию мазута, подтверждающуюся отсутствием углеводородов нефти в осадке и надосадочной жидкости. В стационарных условиях при температуре 14-16^oС процесс биодеградации при использовании неподготовленного препарата осуществлялся в течение 3 мес, а при использовании предварительно подготовленного (культивирование в присутствии нефтесубстрата) - в течение 27 сут.

Пример 4. В натурных условиях для очистки двух участков шламового амбара площадью 5 м² каждый с нефтезагрязнением толщиной 0,35 м при общем количестве нефтешлама, включая механические примеси, 3500 кг использовали по 28 л водной суспензии препарата "Динал": для первого участка - культивированной в аэрируемых условиях в течение 10 часов без добавления нефтесубстрата (титр биомассы 1,32 х 10¹⁰ кл/г); для второго участка - культивированной при тех же условиях с добавлением 3% нефтесубстрата из шламового амбара (титр - 1,93 х 10¹⁶ кл/г).

Обработку обоих участков осуществляли распылительным способом. Отбор проб нефтешлама производили до обработки препаратом и в процессе его биодеградации. Исходный нефтешлам представлял собой визуально битумоподобную массу плотностью 1,3-1,4 г/см³. На первом участке деструкция произошла на 42-44% в течение 27 сут. Разжижение нефтешлама было незначительным. На втором участке через сутки после обработки наблюдалось разжижение верхнего слоя нефтешлама толщиной 7 см. Через трое суток - разжижение по всему объему; плотность снизилась до 0,879 г/см³, что близко к плотности сырой нефти. Через 27 сут деструкция нефтешлама составила 74-78%.

Пример 5. В результате аварийного выброса нефти произошло загрязнение двух прудов площадью 0,2 га и 0,5 га. Толщина пленки нефти на поверхности составила 12-20 мм. Суспензию препарата "Динал" готовили в аэрируемых условиях так, что в одном литре содержалось 0,5 г биомассы с титром 2,1 х 10⁹ кл/г. Этой суспензией обработали первый пруд площадью 0,2 га. Для обработки второго пруда площадью 0,5 га суспензию препарата культивировали в течение 24 ч с добавлением 15-20% нефтесубстрата (пленка нефти вместе с приповерхностным слоем воды из пруда). В итоге титр увеличился до 1,8 х 10¹⁵ кл/г. Обработку осуществляли распылительным способом.

На первом пруде процесс биодеструкции длился 65 сут. Необходимо отметить, что применяли повторную обработку объекта рабочим раствором препарата. Деструкция углеводородов нефти составила 62-64%. Естественный вид пруд приобрел в течение весенне-летнего периода.

На втором пруде уже через сутки наблюдалось преобразование нефтяной пленки в бурую пенообразную массу. В течение 15 сут поверхность и береговая линия, включая водную растительность, полностью очистилась от нефтепродуктов. Деструкция углеводородов нефти составила 83-85%. В донных отложениях остаточных углеводородов нефти не наблюдалось. В течение 20 сут водоем приобрел свой естественный вид, визуально и по результатам проб никаких отклонений от нормы не наблюдалось.

Пример 6. На нефтешламовом амбаре площадью около 10 м² был проведен эксперимент по переносу препарата, предварительно экспонированного на нефтесубстрате части загрязненного участка на его оставшуюся часть. Для этого поверхность амбара была разделена на три участка площадью 2, 6 и 2 м² каждый. На один из участков площадью 2 м² было нанесено 12 л суспензии препарата, полученной общепринятым методом. Через двое суток верхний, уже частично разжиженный слой нефтесубстрата этого участка, был перенесен на участок площадью 6 м². Одновременно с этим на оставшийся участок площадью 2 м² было нанесено 12 л суспензии аналогичного препарата. Через 27 сут деструкция углеводородов нефти на этом участке составила 45- 47%. В то же время деструкция на участке площадью 6 м² была равной 78-80%.

Описанный вариант способа особенно пригоден для ликвидации масштабных почвенных нефтезагрязнений с одинаковым или близким фракционным составом углеводородов по всей площади загрязнения. Время экспонирования составляет при этом, как правило, от 1 до 4 сут, поскольку после этого в большинстве случаев начинается снижение активности участка, где осуществляется экспонирование, в течение которого происходит культивирование углеводородокисляющих микроорганизмов препарата на нефтесубстрате, на весь участок требуемого эффекта не достигается.

Пример 1. Для очистки почвенного загрязнения площадью 2 м² аналогичного аварийному выбросу нефти со сверхвысокой степенью загрязнения (5 кг нефти на 1 м² ) его разделили на 2 участка площадью по 1 м² каждый. Участки обработали распылительным нанесением раствора препарата с добавлением семян тест-культур: первый участок - раствором с титром 1,32 х 10¹¹ кл/г; второй участок - раствором с титром 1,57 х 10¹⁶ кл/г, увеличенным в результате культивирования микроорганизмов препарата в присутствии нефтесубстрата данного загрязнения.

Отбор проб почвы для анализа осуществлялся с интервалами в 7 сут на протяжении 30 сут. По истечении этого времени на первом участке наблюдалась слабая растительность, деструкция нефти составила 65-70%. На втором участке в течение первый 7 сут деструкция осуществилась на 63-67%. На 14 сут появились всходы тест-культуры, на 30 сут наблюдался рост тест-культуры с характерными признаками роста на экологически здоровой почве, богатой органическими удобрениями. Деструкция углеводородов нефти составила 87-89%.

Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает более полную очистку водоемов и почв от нефтяных загрязнений и способствует при этом нормализации микро- и макрофлоры загрязненного участка, то есть является экологически корректным. Экономический эффект от использования способа значительно превышает затраты на культивирование микроорганизмов препарата перед его нанесением на нефтесубстрат.

Формула изобретения

1. Способ очистки водоемов и почв от нефтяных загрязнений, предусматривающий нанесение препарата углеводородокисляющих микроорганизмов на нефтесубстрат загрязненного участка, отличающийся тем, что микроорганизмы препарата перед упомянутым нанесением культивируют в среде, содержащей нефтесубстрат загрязненного участка, взятый в количестве, обеспечивающем симбиотический рост углеводородокисляющих микроорганизмов препарата и нефтесубстрата загрязненного участка.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что культивирование прекращают до наступления лаг-фазы роста углеводородокисляющих микроорганизмов препарата и нефтесубстрата загрязненного участка.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что культивирование осуществляют глубинным методом в течение 2 24 ч при доле нефтесубстрата в массе культивационной среды 1 50% 4. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что культивирование осуществляют путем нанесения препарата на нефтесубстрат части загрязненного участка с экспонированием в течение 1 4 суток.

РИСУНКИ

Рисунок 1