Способ биоэлектрической очистки грунта от органических загрязнений

 

Изобретение относится к биоэлектрическим средствам ликвидации загрязнений нефтью и нефтепродуктами и может быть использовано для очистки грунтов нарушенной и ненарушенной структуры. В зону очистки вводят раствор нефтеокисляющих микроорганизмов. В зоне очистки размещают электроды - анод и катод, пропускают между ними постоянный электрический ток и собирают раствор, накапливающийся у катода, с повторным введением его в зону очистки. Постоянный электрический ток периодически включают и выключают и поддерживают при этом температуру грунта вблизи поверхности анода в пределах 10-40^oС. При этом может быть осуществлено предварительное нагревание грунта до температуры в пределах 10-20^oС, при этом в зону очистки можно периодически подавать воздух, а из зоны очистки можно периодически откачивать пары нефти и нефтепродуктов. Технический эффект - создание способа биоэлектрической очистки грунта, позволяющего обеспечить оптимальные для жизнедеятельности микроорганизмов температурные условия и значения рН грунта, а также снизить расход электроэнергии. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к биоэлектрическим средствам ликвидации загрязнений нефтью и нефтепродуктами и может быть использовано для очистки грунтов нарушенной и ненарушенной структуры.

Известен способ очистки капиллярно-пористой среды, в частности почвы, от загрязнений нефтью и нефтепродуктами путем введения в загрязненную среду нефтеокисляющих микроорганизмов в виде суспензии в питательной среде, см. патент РФ N 2038333 по классу C 02 F 3/34. Микроорганизмы - деструкторы нефти после внесения их в очищаемую среду -проходят период адаптации, что обусловлено резким изменением условий их жизнедеятельности как биотических, так и абиотических. После активации их ферментных систем, обеспечивающих клетку питанием и энергией, микроорганизмы метаболизируют углеводородные соединения нефти и нефтепродуктов, используя их в качестве источника углерода.

Данный способ не обеспечивает эффективной очистки при глубине очищаемой среды свыше 0,3 м, что обусловлено сложностью доставки нефтеразрушающих микроорганизмов на значительную глубину, а также тем, что при его реализации не создаются в достаточной степени условия для эффективной жизнедеятельности микроорганизмов в отношении содержания кислорода в зоне очистки и поддержания требуемой влажности. Кроме того, не решена проблема удержания в зоне очистки раствора, содержащего микроорганизмы, в результате чего происходят потери биопрепарата, и имеет место удорожание процесса очистки в целом.

Эти недостатки практически не зависят от используемых штаммов нефтеокисляющих микроорганизмов. В частности, они также присущи способу очистки объектов окружающей среды, загрязненной нефтью и нефтепродуктами, предусматривающему введение в очищаемую среду раствора нефтеокисляющих микроорганизмов при температуре среды 10 - 15^oC и pH 5,5-8,5, см. патент РФ N 2053204 по классу C 02 F 3/34.

Известен способ биологической очистки грунта, включающий отсыпку загрязненного грунта в штабель небольшой высоты (25 см), рыхление и поливку раствором микроорганизмов - деструкторов, см. NATO/CCMS Pilot Study Evolution of Contaminated Land and Groundwater. Phase II Final Report, N 219, June 1998, pp. 65-66. Данный способ применим только в теплое время года и только для грунтов нарушенной структуры.

Известен способ биологической очистки грунтов ненарушенной структуры путем подачи воздуха в грунт для ускорения процессов биодеградации органических веществ местными микроорганизмами, см. In-Situ Bioremediation, Technology Overview Report, TO-98-01, GW RAC, Liespet van Cauwenberghe and Diane S. Roote, P.G.Oct. 1998, p.13.

Этот способ трудно реализовать в условиях холодного климата и больших сезонных колебаний температуры грунта; способ не может быть реализован на неоднородных участках, содержащих большое количество камней, мусора и т.д.

Известен способ биоэлектрокинетической очистки грунта ненарушенной структуры, см. патент США 5458747 по классу В 01 D 61/42. При реализации способа анод и катод устанавливаются в загрязненный или незагрязненный грунт, между анодом и катодом прикладывается постоянное напряжение, создается поток грунтовой воды, направленный к катоду, инъектируются между анодом и катодом и транспортируются питательные вещества, добавки, биологические реагенты, электрокинетический процесс используется для создания потока грунтовых вод с микроорганизмами и питательными веществами, производится реверсирование полярности постоянного тока для обеспечения движения биологических агентов в двух направлениях.

Недостатки способа состоят в следующем: - неравномерный разогрев грунта (наибольшая температура в приэлектродных областях); - невозможность применения в грунтах нарушенной структуры; - повышенная скорость растворения электродов вследствие разрушения оксидных пленок, пассивирующих электрод при смене полярности; - постоянное пропускание постоянного или переменного тока является неэкономичным.

Известен способ электрохимической биодеградации органических материалов, см. патент США 5846393 по классу G 01 N 27/26. В данном способе электрическое поле создается либо постоянным током с периодическим реверсированием направления, либо с переключением с переменного тока на постоянный, для растворения непроводящих водонерастворимых осадков. Сбор электролита производится из областей вблизи анода и катода, обработка этих жидкостей с удалением загрязнителей осуществляется раздельно.

Недостатки способа состоят в следующем: - при очистке ненарушенный грунт обрабатывается в контейнерах с вертикально расположенными электродами и малым межэлектродным расстоянием, что в большинстве случаев увеличивает стоимость очистки; - сбор и очистка электролита из прианодной области затруднены в низкопроницаемых грунтах; - постоянное пропускание постоянного или переменного тока является неэкономичным.

Известен способ очистки каппилярно-пористой среды от загрязнений нефтью и нефтепродуктами, в зону очистки вводят раствор нефтеокисляющих микроорганизмов и в ней же размещают электроды - анод и катод, пропускают между ними постоянный электрический ток для создания электроосмотического движения раствора нефтеокисляющих микроорганизмов, собирают раствор, накапливающийся у катода, и затем снова вводят его в зону очистки; перед повторным введением раствора нефтеокисляющих микроорганизмов в зону очистки от него отделяют загрязняющие примеси, причем периодически раствор нефтеокисляющих микроорганизмов обогащают, доводя концентрацию в нем нефтеокисляющих микроорганизмов до исходного значения, см. патент РФ N 2122904 по кл. B 09 C 1/10 от 17.07.1996.

Реализация данного способа обеспечивает транспортирование нефтеокисляющих микроорганизмов электроосмотическим потоком жидкости на заданную глубину по всей зоне очистки, при этом увеличивается уровень содержания кислорода в зоне очистки ввиду интенсивной циркуляции раствора, а также в связи с его выделением вследствие электролиза воды; поддерживается необходимая влажность в зоне очистки, что также положительно влияет на жизнедеятельность нефтеокисляющих микроорганизмов; происходит удержание раствора, содержащего нефтеокисляющие микроорганизмы, в зоне очистки (между анодом и катодом) с минимальными потерями.

Данный способ принят за прототип настоящего изобретения.

Его недостатки состоят в следующем: непрерывное пропускание электрического тока вне связи с температурой очищаемого грунта может привести к его перегреву и гибели микроорганизмов-деструкторов органических загрязнений; при непрерывном пропускании электрического тока в зоне анода pH грунта уменьшается, а в зоне катода - увеличивается, что неблагоприятно сказывается на жизнедеятельности микроорганизмов; кроме того, имеет место избыточное нерациональное потребление энергии.

В основу настоящего изобретения положено решение задачи создания такого способа биоэлектрической очистки грунта, который позволил бы обеспечить оптимальные для жизнедеятельности микроорганизмов температурные условия и значения pH грунта, а также снижение расхода электроэнергии.

Согласно изобретению, эта задача решается за счет того, что в способе биоэлектрической очистки грунта от органических загрязнений нефтью и нефтепродуктами путем введения в зону очистки раствора нефтеокисляющих микроорганизмов, размещения в зоне очистки электродов - анода и катода, пропускания между ними постоянного электрического тока, собирания раствора, накапливающегося у катода, с повторным введением его в зону очистки, постоянный электрический ток периодически включают и выключают и поддерживают при этом температуру грунта вблизи поверхности анода в пределах 10 - 40^oC; при этом может быть осуществлено предварительное нагревание грунта до температуры в пределах 10 - 20^oC; при этом в зону очистки можно периодически подавать воздух; при этом из зоны очистки можно периодически откачивать пары нефти и нефтепродуктов.

Заявителем не выявлены технические решения, тождественные заявленному изобретению, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию "новизна".

Реализация отличительных признаков настоящего изобретения обусловливает важные новые свойства заявляемого способа: исключается возможность перегрева очищаемой области грунта и гибель микроорганизмов-деструкторов органических загрязнений; в интервалах между циклами подачи электрического тока происходит выравнивание pH очищаемого грунта за счет диффузии, что благоприятно сказывается на жизнедеятельности микроорганизмов; устраняется нерациональный расход электроэнергии.

Указанные обстоятельства подтверждают, по мнению заявителя, соответствие заявленного технического решения критерию "изобретательский уровень".

На фиг. 1 дана схема, поясняющая реализацию способа; на фиг. 2 - график изменения температуры в очищаемой зоне при включении и выключении электрического тока.

Реализация способа иллюстрируется конкретным примером. Производилась очистка грунта ненарушенной структуры от смеси бензина и дизельного топлива в осенне-зимний период при температуре воздуха от -10 до +5^oC. В зону очистки на глубину 2 м вводят электроды - аноды 1 и катоды 2. Расстояние между анодами 1 и катодами 2 - 2,0 м. Аноды 1 и катоды 2 представляют собой стальные трубы диаметром 60 мм. Заглубленные в грунт участки труб имеют перфорацию, а участки труб, находящиеся выше поверхности грунта, выполнены сплошными. Источник 3 постоянного тока состоит из силового трансформатора и управляемого тиристорного выпрямителя. Выходное напряжение - 270В. Датчик температуры 4 установлен вблизи анода 1 на глубине 1 м. Температура, при которой датчик 4 с помощью блока 5 управления источником 3 постоянного тока, выключает источник 3 постоянного тока, составляет в конкретном примере +34^oC, температура, при которой включается источник 3 постоянного тока, составляет +20^oC. В конкретном примере блок 5 представляет собой усилитель сигнала датчика 4, выдающий управляющий сигнал к реле включения-выключения блока 3, которое имеется на выходе этого блока.

Раствор микроорганизмов вводится через перфорированную пластмассовую трубу 6, установленную между анодом 1 и катодом 2. Через трубу 6 в течение 5 ч в сутки осуществляется подача воздуха в зону очистки компрессором (не показан). Давление воздуха составляет 0,4 бар. Остальное время суток через трубу 6 осуществляется вакуумная экстракция паров летучих органических соединений (группа ВТЕХ). Давление вакуума составляло 0,3 бар. В качестве микроорганизмов использован раствор, содержащий консорциум анаэробных бактерий Pseudomonas putida и Pseudomonas fluorescens при весовом соотношении по 11 мас. % каждого микроорганизма. Кроме того применена минеральная добавка, содержащая азот и фосфор.

При включении источника 3 постоянного тока создается упорядоченное движение раствора микроорганизмов от анода 1 к катоду 2. В катодах 2 собирается загрязненная поровая влага, которая эвакуируется благодаря электроосмотическому подъему или откачивается насосом.

При включении источника 3 постоянного тока в грунте выделяется тепловая энергия, и температура грунта продолжает повышаться. Первичный разогрев грунта осуществляется в течение 3 дней путем подачи пара в трубу 6. Далее по достижении температуры вблизи анода 34^oC источник 3 постоянного тока выключался на 5-9 дней и затем автоматически включался на 1-2 дня. В период выключения источника 3 постоянного тока происходило выравнивание pH в зоне очистки за счет диффузии поровой влаги, а также выравнивание температуры. Начальная концентрация загрязнителей в данном примере составляла 2600 мг/кг. Время биоэлектрической очистки составило 90 суток. При этом pH грунта в зоне очистки находился в пределах от 6 (в зоне анода) до 8,5 (в зоне катода), что благоприятно для эффективного функционирования микроорганизмов. Конечная концентрация загрязнителей составила 100 мг/кг. Удельные энергозатраты составили 40 кВт•ч/м³.

Предложенный способ может быть осуществлен с использованием известных материалов и обычных технических средств, что обусловливает, по мнению заявителя, его соответствие критерию "промышленная применимость".

Формула изобретения

1. Способ биоэлектрической очистки грунта от органических загрязнений нефтью и нефтепродуктами путем введения в зону очистки раствора нефтеокисляющих микроорганизмов, размещения в зоне очистки электродов - анода и катода, пропускания между ними постоянного электрического тока, собирания раствора, накапливающегося у катода, с повторным введением его в зону очистки, отличающийся тем, что постоянный электрический ток периодически включают и выключают и поддерживают при этом температуру грунта вблизи поверхности анода в пределах 10-40^oС.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что осуществляют предварительное нагревание грунта до температуры в пределах 10-20^oС.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что в зону очистки периодически подают воздух.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что из зоны очистки периодически откачивают пары нефти и нефтепродуктов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2