Способ рекультивации почвы, загрязненной нефтью и нефтепродуктами

Изобретение относится к области рекультивации, биотехнологии и утилизации отходов пивоваренной промышленности. В почву вносят природный высокопористый адсорбент-мелиорант алюмосиликатной природы и медленно высвобождающееся органическое удобрение, в качестве которых используют отработанный кизельгур, образующийся в качестве отхода при фильтрации пива, сухую пивную дробину, образующуюся при фильтрации затора, смешанную с отработанным кизельгуром в соотношениях 1-5:1-2 либо смешанную с избыточными пивными дрожжами, оседающими в конце главного брожения, и отработанным кизельгуром в соотношениях 1-5:0,1-1:1-2. Затем полученную смесь вносят в нефтезагрязненную почву и производят рыхление, через месяц процедуру повторяют. Способ позволяет повысить биологическую активность почвы, увеличить содержание в ней полезных химических веществ, улучшить структуру и водопроницаемость и повысить эффективность очистки почвы. 1 пр.

 

Изобретение относится к охране окружающей среды, в частности, области утилизации отходов пивоваренной промышленности, а также к биотехнологии и к рекультивации почвы, загрязненной нефтью и нефтепродуктами. Изобретение может быть использовано для рекультивации почвы или грунта от загрязнений нефтью и нефтепродуктами во всех областях хозяйственной деятельности человека, связанных с добычей, транспортировкой, переработкой или хранением нефти и нефтепродуктов, а также при ликвидации последствий аварий или катастроф, как урбанизированных ландшафтов, так и сельскохозяйственных угодий, сопровождающихся разливами нефти и нефтепродуктов. При использовании изобретения для рекультивации загрязненных нефтью почв сельскохозяйственного назначения происходит их очистка и одновременно достигается удобрительный, а также структурирующий эффект.

Известен способ рекультивации почвы, загрязненной нефтью и нефтепродуктам (патент РФ №2283195, МПК B09C 1/08, B09C 1/10, C12N 1/38 опубл. 10.02.2005 г.) [1]. В этом способе в почву, загрязненную нефтью, вводят мелиорант - алюмосиликатный минерал в комплексе с азотно-фосфорными удобрениями. После чего проводят рыхление на глубину не менее 25-30 см.

Недостатками данного способа является большая продолжительность восстановления почвы, а также необходимость внесения высоких доз минеральных удобрений, что экономически не выгодно.

Существует способ рекультивации почвы, загрязненной нефтью и нефтепродуктам (патент РФ №2245748, МПК B09C 1/00, опубл. 10.09.2006 г.) [2], в котором в почву вводят в смеси с расчетными дозами минеральных удобрений также минерал-мелиорант алюмосиликатной природы. Рекультивируемый участок рыхлят на глубину 25-30 см.

Недостатком способа является отсутствие учета влияния различных форм азотных удобрений на течение микробиологических процессов в очищаемой почве и уровень ее остаточной фитотоксичности. Кроме того, применение на первых этапах очистки минерала-мелиоранта алюмосиликатной природы обуславливает возникновение в почве дефицита калия для растений. Вышеуказанные недостатки значительно снижают эффективность последующих фитомелиоративных мероприятий и продлевают сроки полной детоксикации и восстановления почвы.

Наиболее близким способом, выбранным нами за прототип, является способ рекультивации почвы, загрязненной нефтью и нефтепродуктам (патент РФ №2323790, МПК B09C 1/08, опубл. 10.05.2008 г.) [3], в котором в почву одновременно вносят азотные, фосфорные удобрения, природный высокопористый минерал - мелиорант алюмосиликатной природы и медленно высвобождающееся органическое удобрение с последующим рыхлением на глубину 25-30 см.

Недостатком указанного способа является затраты на приобретение минеральных удобрений, приводящие к удорожанию всей процедуры рекультивации почвы.

Предлагаемое изобретение позволяет решить задачу рекультивации нефтезагрязненной почвы. Для решения данной задачи используются отходы пивоваренной промышленности: пивная дробина, избыточные дрожжи и отработанный кизельгур.

Техническим результатом изобретения является очистка почвы от нефти, повышение ее биологической активности, увеличение содержания в почве полезных химических веществ, а также улучшение структуры и водопроницаемости почвы.

Для достижения технического результата используют способ рекультивации почвы, загрязненной нефтью и нефтепродуктами, включающий внесение природного высокопористого адсорбента-мелиоранта алюмосиликатной природы и медленно высвобождающегося органического удобрения, а в качестве природного высокопористого адсорбента-мелиоранта алюмосиликатной природы и медленно высвобождающегося органического удобрения используют отработанный кизельгур, образующийся в качестве отхода при фильтрации пива, сухую пивную дробину, образующуюся при фильтрации затора, смешанную с отработанным кизельгуром в соотношениях 1-5:1-2, либо смешанную с избыточными пивными дрожжами, оседающими в конце главного брожения, и отработанным кизельгуром в соотношениях 1-5:0,1-1:1-2, затем полученную смесь вносят в нефтезагрязненную почву и производят рыхление, через месяц процедуру повторяют.

Пивная дробина представляет собой гущу светло-коричневого цвета со специфическим запахом и вкусом ячменного сухого солода. В дробине содержатся оболочки и частицы ядер зерна, безазотистые экстрактивные вещества, жиры и белки, входящие в состав солода. На 1 гл пива образуется 20-21,4 кг влажной пивной дробины, содержащей 75-80% воды и 20-25% сухого вещества, состоящего из 28% белков, 8% жиров, 41% экстрактивных веществ, 17,5% целлюлозы и 5,5% минеральных веществ. В состав минеральных компонентов дробины входят Сa, Na, K, Mg, Al, Fe, Ba, Sr, Mn, Cu, Zn, P, S, Cr и Si. Количество и химический состав образующейся дробины зависит от качества солода, количества несоложенного сырья, а также сорта изготовляемого пива [4].

Пивная дробина содержит большое количество азотистых веществ и микроэлементов. Она стимулируют развитие микроорганизмов почвы, а также растений. В почве пивная дробина длительное время может служить источником питательных веществ. Внесение пивной дробины позволяет регулировать pH, обеспечивает удерживание влаги и облегчает обработку почвы, так же как увеличивает разнообразие микробных биоценозов почвы [5].

Осадочные пивные дрожжи представляют собой густую массу, остающуюся на дне бродильных емкостей по окончании брожения пивного сусла. Часть этих дрожжей используется в качестве семенных, оставшиеся - избыточные дрожжи являются отходом. Отпрессованные пивные дрожжи главного брожения имеют в среднем следующий состав (в %): вода - 75; азотистые вещества - 14; жир - 0,75; безазотистые экстрактивные вещества - 8,25; зола - 2. Зола дрожжей содержит около 50% фосфорной кислоты, 30% калия, а также кальций, магний и другие вещества. Выход остаточных пивных дрожжей (ОСТ 18-323-78 «Дрожжи пивные жидкие») составляет 1,0-1,2% массы пива [6].

Отработанный кизельгур, образующийся на стадии фильтрации, является одним из основных отходов пивоваренной промышленности. Он состоит из кизельгура и органических веществ, осевших на нем в процессе фильтрации. Частицы кизельгура представляют собой раковины диатомовых морских водорослей. Отложения кизельгура формировались оседанием диатомовых водорослей в течение Третичного и Четверичного периодов. Поверхности кизельгуровых частиц имеют многочисленные полости и поры, многие из которых достигают в размере только одной десятой доли микрометра. Такая филигранная поверхность в совокупности с малой средней величиной частиц и очень большой удельной поверхностью (от 1 до 22 м²/г) позволяют кизельгуру быть хорошим адсорбентом. Органическая составляющая отработанного кизельгура представлена дрожжевыми клетками и белками. Отработанный кизельгур содержит около 70-80% воды и около 20-30% сухого остатка. Неорганические вещества сухого остатка отработанного кизельгура (в процентах от массы): SiO₂ - 85-91, Al₂O₃ - 2-5, Fe₂O₃ - 0,93-10, CaO 0,2-2, TiO₂<0,2, MgO - 0.6-1, Na₂O - 0,5-3, К₂O - 0,5-3, Р₂O₄<0,1. Органическая составляющая кизельгурового осадка изменяется в зависимости от типа пива. Например, состав органических веществ в высушенном осадке кизельгура (среднее значение в процентах от массы): сырой белок - 11,7; азот - 1,5; полная глюкоза - 0,43. рН осадка кизельгура зависит на рН отфильтрованной среды, времени фильтрации и условий хранения. Значения рН варьируют от 6,1 до 6,8. Плотность влажного отработанного кизельгура изменяется в соответствии с содержанием в нем воды. Например, плотность отработанного кизельгура влажностью 71% составляет 1160 кг/м³ [7, 8].

В сельском хозяйстве осадок кизельгура используется как удобрение вместе с навозом или как вспомогательный материал, улучшающий структуру почвы [9]. При добавлении отработанного кизельгура происходит разрыхление почвы, улучшается ее водный режим. Это приводит к усилению активности микроорганизмов и фауны почвы. Предполагается, что питательные вещества из отработанного кизельгура поступают в почву не очень быстро и дольше остаются доступными для растений. Содержащийся в осадке кизельгура азот в виде дрожжей и белкового отстоя может использоваться растениями [10, 11]. Кремневая кислота из кизельгура может заменять фосфаты, а также соединения железа, алюминия и кальция, прежде чем связанный фосфат освободится и поступит в распоряжение растений как питательное вещество. Добавление кизельгура в пашню имеет также другие прежде всего, в землях с низкой величиной рН. Определенные растения могут поглощать и откладывать эту кремневую кислоту, что ведет к укреплению стебельков. Это усиливает устойчивость растений против вредителей и болезней [7].

Пивная дробина, отработанный кизельгур и избыточные пивные дрожжи, внесенные в нефтезагрязненную почву, обладают одновременно рекультивационным, удобрительным и структурирующим эффектом. Они очищают почву от нефти и нефтепродуктов, разрыхляют ее, увеличивают влагоудерживающую способность и биологическую активность почвы, т.е. стимулируют развитие аборигенной микрофлоры, в том числе углеводородокисляющих микроорганизмов.

Отработанный кизельгур увеличивает эффект очистки почвы за счет адсорбции нефти и продуктов ее переработки на поверхности кизельгура, медленного разъединения минеральной основы и органической составляющей отработанного кизельгура, улучшения структуры и водопроницаемости почвы.

Преимущества данного способа утилизации отходов пивоваренной промышленности заключаются в очистке почвы от нефти, улучшении ее водно-физических свойств, повышении содержания в почве полезных химических веществ, увеличении биологической активности нефтезагрязненной почвы, а также улучшении структуры и водопроницаемости почвы. Данный способ позволяет утилизировать пивную дробину, избыточные дрожжи и отработанный кизельгур, являющиеся основными отходами пивоваренной промышленности.

Пример выполнения способа

Исходное содержание нефти на участке загрязненной средне-суглинистой черноземной почвы площадью 1·10⁴ м² составляло 10 кг на 1 м² почвы. Пивную дробину влажностью 75-80% высушивали до влажности 15% и смешивали с отработанным кизельгуром влажностью 75-80% в соотношении 1:1, вносили в почву в массовом соотношении 50 т/га, в пересчете на сухую массу отходов. Для равномерного распределения пивной дробины и отработанного кизельгура в объеме загрязненной почвы, а также для усиления аэрации проводили рыхление на глубину не менее 25-30 см, так как при рыхлении на меньшую глубину в рекультивацию не включается весь загрязненный слой. Процедуру внесения отходов пивоваренной промышленности в нефтезагрязненную почву вновь повторили через 3 месяца.

Внесение в почву пивной дробины и отработанного кизельгура одновременно обеспечило адсорбцию нефтяных углеводородов и увеличение биологической активности почвы. Внесение в почву, загрязненную нефтью, пивной дробины и отработанного кизельгура в течение первого месяца способствовало увеличению каталазной активности почвы на 45% и инвертазной активности почвы на 73% по сравнению с контрольным участком почвы, загрязненным нефтью. К концу пятого месяца наблюдений содержание нефти в почве уменьшилось на 37%, при этом каталазная активность нефтезагрязненной почвы с добавлением отходов пивоварения была на 48%, а инвертазная - на 70% больше, по сравнению с контрольным участком почвы, загрязненным нефтью.

Список литературы

1. Патент РФ №2283195, МПК B09C 1/00. Способ рекультивации почвы, загрязненной нефтью и нефтепродуктами / С.В. Лушников, Н.Н. Терещенко. - №2004120620/15; заявл. 05.07.2004; опубл. 10.09.2006.

2. Патент РФ №2245748, МПК 7 B09C 1/08, В09С 1/10, C12N 1/38. Способ рекультивации почвы, загрязненной нефтью и нефтепродуктами / Н.Н. Терещенко, С.В. Лушников. - №2002112759/13; заявл. 14.05.2002; опубл. 10.02.2005.

3. Патент РФ №2323790, МПК B09C 1/08. Способ рекультивации почвы, загрязненной нефтью и нефтепродуктами / С.В. Лушников, Н.Н. Терещенко. - №2006142155/15; заявл. 28.11.2006; опубл. 10.05.2008.

4. Колпакчи А.П., Голикова Н.В., Андреева О.П. Вторичные материальные ресурсы пивоварения. - М.: Агропромиздат, 1986. - 160 с.

5. Патент США №2009227452 (A1), МПК A01N 25/26, А01Р 3/00, А01Р 13/00, А01Р 21/00, А01Р 7/04, А01Р 19/00, А01Р 7/00. Spent fermented grain soil additive / T.D. Birthisel. - №US0912/407430; заявл. 19.03.2009; опубл. 10.09.2009.

6. Вторичные материальные ресурсы пищевой промышленности (образование и использование). Справочник. - М.: Экономика, 1984. - 327 с.

7. Schmid N.A. Verbesserung der filtrationstechnischen Eigenschaften von Filterhilfsmitteln durch ein thermisches Verfahren. Dokt. - Ing. - Munchen, 2002. - 191 s

8. Russ W., Mortel H., Meyer-Pittroff R., Babeck A. Kieselguhr sludge from the deep bed filtration of beverages as a source for silicon in the production of calcium silicate bricks // Journal of the European Ceramic Society. - 2006. - V.26. - P.2547-2559.

9. Flynn P.T. Nutritional benefits of spent filter cake in agricultural applications // Adv. Filtr. Sep. Technol. - 2003. - V.16. - P.585-593.

10. Hodenberg G.W.v., Sulke K., Rasp H., Gaudchau M. Kieselgurentsorgung auf landwirtschaftliche Flachen. «Brauwelt», 1987, 127, №23, 1064-1066, 1068, 1077-1080.

11. Schildbach R. Ein neues Bio-Filter-Kieselgur-Entsorgungssystem // Brauwelt - 1988. - Nr. 50/51.-S. 2370-2378.

Способ рекультивации почвы, загрязненной нефтью и нефтепродуктами, заключающийся в том, что в почву вносят природный высокопористый адсорбент-мелиорант алюмосиликатной природы и медленно высвобождающееся органическое удобрение, отличающийся тем, что в качестве природного высокопористого адсорбента-мелиоранта алюмосиликатной природы и медленно высвобождающегося органического удобрения используют отработанный кизельгур, образующийся в качестве отхода при фильтрации пива, сухую пивную дробину, образующуюся при фильтрации затора, смешанную с отработанным кизельгуром в соотношениях 1-5:1-2, либо смешанную с избыточными пивными дрожжами, оседающими в конце главного брожения, и отработанным кизельгуром в соотношениях 1-5:0,1-1:1-2, затем полученную смесь вносят в нефтезагрязненную почву и производят рыхление, через месяц процедуру повторяют.