Препарат для очистки воды и почвы от нефти и нефтепродуктов

 

Изобретение относится к микробиологической очистке почв и водоемов при разливе нефти и нефтепродуктов, при очистке промышленных сточных вод, загрязненных нефтепродуктами и солями тяжелых металлов. Бактериальный препарат, имеющий коммерческое название "Фежел-био", создан на основе органического субстрата и нефтеокисляющих бактерий Mycobacterium flavesens ВКПМ В-6000, Mycobacterium sp. ИЖ4, Rhodococcus sp. 56д, Acinetobacter sp. НВ-1. Органический субстрат содержит воду, тиомочевину, сахар и целлюлозный носитель, покрытый слоем ферроцианида железа. Биопрепарат эффективно и в короткий срок утилизирует ароматические, полиароматические, непредельные, изопреноидные углеводороды нефти, которые более канцерогенны и токсичны для живой природы по сравнению с предельными углеводородами. Кроме нефти препарат эффективно утилизирует мазут, дизельное топливо, керосин. Культуры из биопрепарата устойчивы к ионам тяжелых металлов, фенолу и формальдегиду, что расширяет диапазон его применения при очистке территорий от нефти и нефтепродуктов. 4 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к микробиологической очистке почв и водоемов при разливе нефти и нефтепродуктов, при очистке промышленных сточных вод, загрязненных нефтепродуктами и солями тяжелых металлов.

Проблема очистки водоемов и почв от загрязнений нефтью и нефтепродуктами является важной задачей биотехнологии защиты окружающей среды. Процесс самовосстановления загрязненных почв является очень длительным и может продолжаться более 25 лет, а в районах севера и до 50 лет. Интенсификация биологического разрушения углеводородов нефти в окружающей среде может быть достигнута за счет интродукции в загрязненную экосистему нефтеокисляющих микроорганизмов.

Известен бактериальный препарат "Путидойл" (ТУ 64-16-75-91), предназначенный для ускорения разложения нефти. Его недостатком является сложная технология приготовления препарата, которая предусматривает распылительную сушку живой культуры бактерий. Этот метод сушки не позволяет получить препарат с титром клеток более 10¹⁰ кл/г вследствие инактивации клеток под действием высоких температур (+60^oС).

Существуют также публикации, указывающие на то, что в естественных условиях препарат "Путидойл" оказался малоэффективен, и что он оказывает угнетающее воздействие на естественный микробный ценоз (Новиков Ю.В, Комзолова Н.В. Исследования бактериального препарата "Путидойл", предложенного для очистки водоемов от нефти. - "Водное хозяйство", 1992, 2, с.121-123).

Наиболее близок нашему бактериальный препарат "Нафтокс" (патент RU 2053205). Его недостатком является то, что бактерии препарата утилизируют только нормальные парафины нефти (С12-С18), а это 10-20% от состава нефти. В состав же нефти входят, кроме нормальных парафинов, нафтены, ароматические, полиароматические, непредельные, предельные, изопреноидные и другие углеводороды, все они более токсичны для живой природы, чем нормальные углеводороды, и без их биодеструкции очистка от нефтезагрязнений будет незначительная.

Задачей предлагаемого изобретения является создание высокоэффективного бактериального препарата (предполагаемое название "Фежел-био"), обладающего высокой утилизирующей способностью по отношению к нефти и нефтепродуктам в широком диапазоне температур, который может быть использован для очистки почв и водоемов, загрязненных нефтепродуктами и солями тяжелых металлов.

Поставленная задача решается созданием бактериального препарата, содержащего аэробные нефтеокисляющие бактерии, воду, органический субстрат, причем в качестве органического субстрата используется сорбент "Фежел", представляющий собой целлюлозный носитель, покрытый слоем сорбирующего вещества, а также дополнительно препарат содержит тиомочевину и сахарозу при следующем соотношении компонентов, мас.%: Сорбент "Фежел" - 98,0-85,0 Тиомочевина - 0,2-0,5 Сахароза - 3,0-5,0 Вода - Остальное Аэробные нефтеокисляющие бактерии - В эффективном количестве (кл/г препарата) В качестве нефтеокисляющих бактерий препарат содержит штаммы бактерий: Mycobacterium flavescens ВКПМ В-6000, Mycobacterium species ИЖ 4, Rhodococcus species 56д, Acinetobacter species HB-1, защищенные патентами 2053296, 2077578, 2101352, 2077579 соответственно, подобранные к условиям очищаемой территории, а необходимое содержание живых активных бактерий рассчитывается в зависимости от степени загрязненности.

Входящие в препарат культуры непатогенны, нетоксичны и нетоксигенны.

Сорбент "Фежел" (ТУ 113-07-11.051-90) представляет собой гранулы древесной целлюлозы, покрытые слоями сорбирующего вещества. Сорбент "Фежел" обладает высокой селективностью к ряду радионуклидов и тяжелых металлов, имеет высокую поглотительную способность по отношению к нефти.

Высокая эффективность препарата обусловлена подбором штаммов бактерий: - все штаммы обладают биоэмульгирующей и нефтеокисляющей активностью; - в препарат входят быстро и медленнорастущие бактерии, что обеспечивает быстроту и эффективность очистки; - составляющие бактерии растут при температуре 4-10^oС, биодеградация нефти при этих температурах замедляется, но не прекращается, поэтому предлагаемый биопрепарат можно использовать для очистки нефтезагрязненных территорий в районах Севера.

- бактерии, входящие в состав биопрепарата, имеют устойчивость к некоторым веществам и солям тяжелых металлов:
М. flavescens ВКПМ В-6000 - Mn, Zn, Мо, Рb (100 мг/л), Сr (IV), Сr (VII), Fe (10 мг/л), Ni (5 мг/л), Аg (1мг/л), Нg (0,05 мг/л), Сu (0,1 мг/л), фенол, формальдегид (100 мг/л).

Mycobacterium species ИЖ 4 - Ni, Fe (10 мг/л), Pb, Mo, Zn, Сu, Mn, Сr (IV), Сr (VII) - (1 мг/л); фенол (100 мг/л).

Rhodococcus species 56д - Fe (10 мг/л), Pb, Ni, Mn, Сr (IV), Сr (VII) - (1 мг/л), Нg (0,05 мг/л), Zn (0,05 мг/л), фенол (100 мг/л).

Acinetobacter species HB-1 - Ni, Pb, Сr (VII) - (10 мг/л) - (0,5 мг/л), фенол (10 мг/л).

Расход препарата для обработки водоемов составляет 100-150 г/м², для обработки почвы - 15-20 кг/т.

Срок хранения биопрепарата при температуре от +4 до +10^oС - 6 месяцев, а при температуре 20^oС - 3 месяца.

Изобретение поясняется следующими примерами.

Пример 1. Предлагаемый биопрепарат "Фежел-био" получают путем нанесения клеток нефтеокисляющих бактерий на сухой сорбент "Фежел", который перед использованием высушивают при температуре 105-110^oС в течение 3-4 часов до влажности 5,5%.

Микробную массу каждого штамма выращивают отдельно в ферментере АК-210 с контролем и поддержанием основных параметров культивирования (рН, t^o, парциальное давление растворенного O₂, скорость перемешивания, расход воздуха на аэрацию). Процесс культивирования заканчивают на стадии стационарной фазы. Затем культуральную жидкость концентрируют на микрофильтрационной установке МР-0,3. Концентрированную клеточную суспензию (10¹¹ кл/мл) смешивают с сорбентом в весовом отношении 7:1. В качестве стабилизатора в концентрированную биомассу вносят 0,5% тиомочевины, для сохранения жизнедеятельности бактерий вносят 5% сахарозы.

Полученный влажный препарат раскладывают на лотки и высушивают при комнатной температуре в течение 2 суток или продувкой воздуха (40^oС) над лотками в течение 2 часов до влажности 2-5%. Сухой препарат раскладывают в полиэтиленовые мешки и запаивают. Срок хранения биопрепарата 6 месяцев в условиях холодильника и 3 месяца при комнатной температуре.

Готовый препарат может быть использован как для очистки водоемов, так и загрязненных почв. В последнем случае препарат запахивают на глубину 20-25 см, периодически почву рыхлят культиватором (3-4 раза за сезон), вносят минеральные удобрения. Процесс очистки почвы рассчитан на 4-5 месяцев.

Пример 2. Микробную массу штаммов выращивают, как описано в примере 1. Затем в концентрированную биомассу добавляют в качестве стабилизатора 0,2% тиомочевины, а для сохранения жизнедеятельности бактерий вносят 3,0% сахарозы. Концентрированную клеточную суспензию (10¹¹ кл/мл) смешивают с сорбентом "Фежел" в весовом отношении 7:1 до влажности 2-5%. Высушивают и хранят препарат, как описано выше.

Пример 3. Испытание биопрепарата "Фежел-био" проводили в сентябре 1994 г. на базе ОС ЗАЭС на водах внешнего охлаждающего контура ЗАЭС с целью оценки эффективности очистки вод от нефтепродуктов и радионуклидов.

Испытания проводили в опытно-промышленном режиме на специально оборудованной для этого установке. Рабочая температура процесса 20-26^oС, препарат вносили в очищаемую воду в количестве 0,5 вес.%.

Концентрация нефтепродуктов в воде достигала 5,23 мг/л и 330 мг/л. После 3-суточной очистки воды химические анализы показали, что уровень нефти в очищенной воде снизился соответственно до 0,35 и 6,1 мг/л, что говорит о том, что уровень очистки воды достигал 93,3 и 98,0%. Радионуклиды не были обнаружены в воде. Количество нефтеокисляющих бактерий в воде достигало 10⁸ кл/мл, что подтверждает биологическую природу утилизации нефтепродуктов.

Пример 4. Испытания биопрепарата "Фежел-био" проводились в сентябре 1994 г. на базе машинного зала блока 1 Запорожской АЭС.

Препарат наносили тонким слоем на сильнозагрязненные участки поверхности бетонного пола машинного зала с расходом 0,1-0,3 кг/м² и выдерживали 1-2 мин. Масляный слой практически весь впитался в биосорбент, который в дальнейшем был переработан в специальном реакторе, аналогичном примеру 3.

Анализ содержания нефтепродуктов на поверхности пола вели методом стандартного трафаретного отпечатка, который показал, что поверхности были очищены на 80-97%.

Пример 5. Испытания биопрепарата "Фежел-био" проводились в июне 1996 г. на базе САС г. Екатеринбурга с целью уничтожения нефтепродуктов, собранных с поверхности воды. Масло, разлитое на поверхности воды, сверху засыпалось биопрепаратом, который впоследствии собирали и вносили в реактор (по типу примера 2) в количестве 1% от веса воды. Смесь культивировали 3 суток. Химический анализ показал, что количество масла в воде с 10 г/л упало до 0,003 г/л, т.е. степень очистки воды достигла 98,8%.

Пример 6. Испытания биопрепарата "Фежел-био" проводились на базе ГНЦ ПМ с участием ГМП "Промотходы" в октябре 1996 г. с целью апробирования технологии очистки грунтов, загрязненных нефтепродуктами. Грунты были взяты с полигона ГПМ "Промотходы" и очищались в пилотной установке, разработанной в ГНЦ ПМ. Длительность очистки 8 часов, температура 20^oС. Результаты химических анализов показали, что очистка нефтезагрязненных грунтов за указанное время была проведена на 80-82% без применения дополнительных обработок.

Пример 7. В колбочки на 100 мл вносят по 30 мл минеральной среды 8Е и 1% модельной нефти (нафталин, тетрадекан, пентадекан, гексадекан, фенилдекан, пристан, пирен, фенантрен, аценафтен), а также вносят 1% препарата "Фежел-био". Контрольную колбу оставляют без биопрепарата. Культивирование проводят на качалке при 200 об/мин, 20^oС в течение 5 дней. Обработку результатов проводят на газовом хроматографе. Результаты показывают, что биодеградация указанных углеводородов прошла на 83,3%, 58,4%, 62,2%, 70,0%, 43,0%, 38,0%, 75%, 30%, 40% соответственно.

Пример 8. В колбочки на 100 мл вносят по 30 мл минеральной среды 8Е, 300 мг нефти, 10 мг/л солей: Mn, Pb, Zn, Mo, Fe, Ni, Аg и Cr - 50 мкг/л и 1% препарата "Фежел-био". Контролем служит колба, в которую вносят биопрепарат и нефть. Опыт проводят в трех повторностях. Культивируют колбы на качалке при 28^oС при 200 об/мин в течение 5 дней. Результаты опыта показывают, что в колбе с солями металлов и без них культуры биопрепарата утилизируют нефть на 88%.

Таким образом, преимуществом предлагаемого препарата "Фежел-био" по сравнению с аналогичным препаратом "Нафтокс", который утилизирует только нормальные углеводороды нефти, является то, что он эффективно и в короткий срок утилизирует ароматические, полиароматические, непредельные, изопреноидные углеводороды нефти, которые более канцерогенны и токсичны для живой природы по сравнению с предельными углеводородами. Кроме нефти предлагаемый препарат эффективно утилизирует мазут, дизельное топливо, керосин. Культуры из биопрепарата устойчивы к ионам тяжелых металлов, фенолу и формальдегиду, что расширяет диапазон его применения при очистке территорий от нефти и нефтепродуктов.

Формула изобретения

1. Биопрепарат для очистки воды и почвы от нефти и нефтепродуктов, включающий аэробные нефтеокисляющие бактерии, органический субстрат, воду, отличающийся тем, что дополнительно содержит тиомочевину и сахарозу, а в качестве органического субстрата используют сорбент "Фежел", представляющий собой целлюлозный носитель, покрытый слоем сорбирующего вещества, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Сорбент "Фежел" - 98,0-85
Тиомочевина - 0,2-0,5
Сахароза - 3,0-5,0
Вода - Остальное
Аэробные нефтеокисляющие бактерии - В эффективном количестве (кг/л препарата)
2. Биопрепарат по п.1, отличающийся тем, что в качестве аэробных нефтеокисляющих бактерий он содержит штамм бактерий Mycobacterium flavescens ВКПМ В-6000 в конечной концентрации не менее 5•10⁸ кл/г препарата.

3. Биопрепарат по п.1, отличающийся тем, что в качестве аэробных нефтеокисляющих бактерий он содержит штамм бактерий Mycobacterium sp. ИЖ 4 в конечной концентрации не менее 4,0•10⁸ кл/г препарата.

4. Биопрепарат по п.1, отличающийся тем, что в качестве аэробных нефтеокисляющих бактерий он содержит штамм бактерий Rhodococcus sp. 56д в конечной концентрации не менее 4,5•10⁸ кл/г препарата.

5. Биопрепарат по п.1, отличающийся тем, что в качестве аэробных нефтеокисляющих бактерий он содержит штамм бактерии Acinetobacter sp. НВ-1 в конечной концентрации не менее 9•10⁸ кл/г препарата.