Способ очистки водных объектов от пленочных и эмульгированных нефтепродуктов

Способ относится к биотехнологии и инженерной экологии. Предложен способ очистки водных объектов от пленочных и эмульгированных нефтепродуктов. Способ включает применение специальной конструкции, представляющей собой биофильтр, где в качестве загрузки используют водные растения - элодею зубчатую (Elodea densa Plancon) и наяду мелкозубчатую (Najas microdon), в качестве микроорганизмов - консорциум активированных аборигенных нефтеокисляющих микроорганизмов, отобранных непосредственно на месте загрязнений. Дополнительно в качестве фактора роста микроорганизмов осуществляют предварительную обработку фитомассы растений водным раствором гуминовых препаратов из расчета 0,3-0,5 мл/г фитомассы. Изобретение обеспечивает биологическую очистку водных акваторий с малой площадью от нефтяных загрязнений. 2 з.п. ф-лы, 4 табл, 1 ил., 4 пр.

 

Способ относится к методам защиты природных водных объектов и может быть использован для биологической очистки водных акваторий с малой площадью, в частности малых рек и озер, от пленочных и эмульгированных нефтей и нефтепродуктов.

Известны способы очистки природных водных объектов, загрязненных нефтью и нефтепродуктами, с использованием адаптированного консорциума нефтеокисляющих микроорганизмов, выделенных из образцов нефтезагрязненных сред (патент РФ №2129604, C12N 1/20, опубл. 27.04.1999; патент РФ №2127310, C12N 1/20, опубл. 10.03.1999; патент РФ №2565817, C12N 1/20, опубл. 20.10.2015, бюл. №29).

Недостатками данных способов являются высокие эксплуатационные затраты, связанные с селекцией микроорганизмов, а также подготовкой и хранением микробного биопрепарата.

Известны способы очистки природных водных сред с использованием биосорбентов, представляющих собой природные или синтетические сорбирующие материалы с иммобилизованной на их поверхности нефтеокисляющей микрофлорой (патент РФ №2209113, опубл. 27.07.2003, бюл. №21; патент РФ №2356856, опубл. 27.05.2009, бюл. №15; патент РФ №2193533, опубл. 27.11. 2002, бюл. №33; патент РФ №2280013, опубл. 20.07.2006, бюл. №20).

Недостатками данных способов являются высокие эксплуатационные затраты, низкая рентабельность на заключительных этапах очистки, а также необходимость последующей утилизации отработанных материалов.

Известны способы очистки вод с применением прибрежно-водной растительности, например камыша, рогоза широколиственного, осоки, тростника обыкновенного и т.д. (а.с. СССР N 918277, кл. C02F 3/32, БИ № 13, 1982 г.; патент РФ №2 094 392, C02F 3/32, опубл. 27.10.1997; патент РФ №2219138, опубл. 20.12.2003, бюл. №35; патент РФ №2530173, C02F 3/32, опубл. 10.10.2014, бюл. №28; патент РФ №2181703, C02F 9/00, опубл. 27.04.2002, бюл. №12).

Недостатками данных методов являются низкая эффективность процесса очистки в пересчете на единицу занимаемой площади, а также сезонность работы.

Наиболее близким по ряду признаков и достигаемому результату является способ очистки водных акваторий от нефтяных загрязнений (патент РФ №2375315, C02F 3/34, опубл. 27.08.2008, бюл. №34). Способ включает применение специальной плавающей конструкции - санитарной водорослевой плантации, представляющей собой биофильтр, где в качестве загрузки используется водная растительность, представленная морскими водорослями - макрофитами (фикусовые и ламинариевые), а в качестве микроорганизмов - природные ассоциации углеводородокисляющих бактерий. Данный способ является экологически чистым и безопасным. Совместное применение бактерий и водорослей обеспечивает высокую степень очистки.

Недостатки прототипа обусловлены специфичностью метаболизма морских водорослей и, как следствие, невозможностью их применения для очистки пресных или слабосоленых вод, например водных бассейнов рек и озер.

Задача изобретения состоит в разработке эффективного способа биологической очистки водных акваторий с малой площадью, в частности малых рек и озер, от нефтяных загрязнений с исходной концентрацией последних до 10 мг/л.

Поставленная задача решается тем, что в способе очистки водных объектов от пленочных и эмульгированных нефтепродуктов, включающем применение специальной конструкции, представляющей собой биофильтр, где в качестве загрузки используется водная растительность, а в качестве микроорганизмов - природные ассоциации углеводородокисляющих бактерий, согласно изобретению, в качестве водной растительности используют водные растения - элодею зубчатую (Elodea densa Plancon) и наяду мелкозубчатую (Najas microdon), в качестве микроорганизмов - консорциум активированных аборигенных нефтеокисляющих микроорганизмов. Дополнительно в качестве фактора роста микроорганизмов осуществляется предварительная обработка фитомассы растений водным раствором гуминовых препаратов.

Консорциум аборигенных культур представляет собой активированные штаммы нефтеокисляющих микроорганизмов, присутствующие в нефтезагрязненных природных средах. Активацию осуществляют в ферментере путем внесения образцов нефтезагрязненной среды в жидкую питательную среду, где в качестве единственного источника углерода и энергии используют нефть или нефтепродукт.

Элодея зубчатая (Elodea densa Plancon) - род многолетних водных трав семейства Водокрасовые. Обладает длинными стеблями до 2-3 метров в длину, на своих мутовках имеет по 3-5 больших продолговатых листков длиной 15-20 мм. Элодея пускает длинные сильно разветвленные стебли, растущие чрезвычайно быстро, образуя непроходимые заросли. Стебли растения не отмирают на зиму и развиваются круглый год, легко размножается черенками. Температурный оптимум для растения составляет 16-24°С. Растение хорошо развивается в воде с любыми показателями рН и жесткости.

Наяда мелкозубчатая (Najas microdon) - это вечнозеленое многолетнее растение, целиком погруженное в толщу воды, имеющее тонкие ветвистые стебли с расположенными на них узколинейными листьями светло-зеленого цвета. Листовая пластинка достигает длины 25-30 мм. Корневая система наяды развита слабо, она чаще представлена нитевидными корнями белого цвета, выходящими из узлов стебля. Данное растение крайне неприхотливо, теневыносливо, легко размножается вегетативно, даже небольшие куски побега в скором времени превращаются в новые растения. При наличии грунта из нижних узлов образуется мочка корней, в этом случае стебли растут вертикально. При отсутствии грунта растения образуют в толще воды густое переплетение стеблей. Поглощение из воды растворенных веществ происходит всей поверхностью тела растения, а в воду выделяется кислород. Оптимальный температурный режим жизнедеятельности находится в пределах 12-25°С. Растение сохраняет свою жизнедеятельность в воде даже под слоем льда.

Предлагаемый способ включает установку ниже по течению (для рек) или по периметру (для стоячих водных объектов) от предполагаемого места загрязнения специальных плантаций. В качестве места установки выбираются участки на мелководье с глубиной до 2 м. Плантации устанавливаются на дно в шахматном порядке.

Плантации представляют собой пластиковые поддоны, заполненные песком с высаженными на них водными растениями. Размеры поддонов и их количество определяются исходя из размеров водного объекта, а также степени загрязнения.

Подготовка поддонов включает 3 стадии. На начальной стадии осуществляется высадка растений на поддоны рядами с интервалом 20-25 см. Затем производится обработка фитомассы растений водным раствором гуминовых препаратов (содержание сухого вещества не менее 100 г/л), например гуматом натрия из расчета 0,3-0,5 мл/(г фитомассы). На заключительной стадии поддоны с растениями помещают в специальные бассейны, заполненные культуральной жидкостью (суспензия аборигенных нефтеокисляющих микроорганизмов) и выдерживают в течение 10-12 часов при комнатной температуре.

Суспензию микроорганизмов получают путем внесения отобранных непосредственно на месте загрязнения, проб воды в жидкую минеральную среду следующего состава, г/л: NaNO₃ - 2, KH₂PO₄ - 1,0, MnSO₄ - 0,013, MgSO₄⋅7H₂O - 0,5, ZnSO₄ - 0,002, Fe₂(SO₄)₃ - 0,001. В качестве единственного источника углерода и энергии используют нефть или гексадекан из расчета 1% масс. Наработку культуральной жидкости осуществляют в ферментере при температуре 30°С до титра клеток 10⁹ кл/мл. Отбор проб нефтезагрязненных природных вод осуществляют в соответствии с ГОСТ 53415-2009. Вода. Отбор проб для микробиологического анализа.

Пример 1. Для проведения опыта готовили серию образцов предлагаемых растений, которые выдерживали в культуральной жидкости (титр клеток 10⁹ кл/мл) в течение суток при комнатной температуре. Для приготовления культуральной жидкости использовали пробы, отобранные на р. Шугуровка (г. Уфа, респ. Башкортостан). В качестве единственного источника углерода и энергии использовали гексадекан из расчета 1% масс. В качестве фактора роста фитомассу растений обрабатывали гуматом натрия (содержание сухого вещества 100 г/л) из расчета 0,4 мл/(г фитомассы).

Эффективность процесса иммобилизации микробных клеток оценивали турбидиметрическим методом по изменению оптической плотности (ОП_600нм) клеточной суспензии. Отбор проб производили каждые 2 часа. Определение оптической плотности производили на спектрофотометре Specord 40 при длине волны 600 нм. Контролем служили интактные клетки, культивированные в аналогичных условиях. Результаты представлены на чертеже.

Идентификацию иммобилизованных на поверхности растений микроорганизмов осуществляли путем высева на селективные агаризованные среды. Определение культуральных, морфологических и физиолого-биохимических свойств культур проводили по стандартным методикам, используя «Определитель бактерий Берджи». [Хоулт Дж., Криг Н. Определитель бактерий Берджи. Изд-во: Мир, 1997. В 2-х т.].

Как видно из фиг. 1 процесс иммобилизации микробных клеток на поверхности наиболее интенсивно протекает в первые 12 часов, при этом оптимальным временем, обеспечивающим максимальное закрепление клеток на поверхности субстрата, является 10-12 часов.

В результате исследования микробиологического состава образцов отмечено наличие в основном нефтеокисляющих бактерий из рода Bacillus, Pseudomonas, Rhodococcus, Micrococcus, Acinetobacter.

Пример 2. Оценку эффективности предлагаемого способа осуществляли в лабораторных условиях. Для этого готовили серию модельных образцов воды с различной исходной концентрацией нефтепродукта (дизельное топливо), мг/л: 0,5; 1,0; 2,0; 5,0; 10,0; 15,0. Для исследования использовали емкости объемом 50 л. На дно емкостей устанавливались плантации с растениями, обработанными по схеме примера 1. Эксперимент проводили при комнатной температуре в течение 7 суток. Контролем являлись емкости без установки растительных плантаций. Убыль нефтепродуктов определяли по остаточному суммарному содержанию нефти и нефтепродуктов в пробах методом ИК - спектрометрии на приборе ИКН-025, после экстракции четыреххлористым углеродом по известной методике [ПНДФ 14.1:2.5-95 «Методика выполнения измерений массовой концентрации нефтепродуктов в природных и сточных водах методом ИК-спетрометрии»]. Повторность опыта пятикратная.

Усредненные результаты представлены в таблице 1.

Как видно из таблицы 1, предлагаемый способ позволяет значительно снизить содержание нефтепродуктов в воде, при этом наибольшие значения наблюдаются при исходной концентрации нефтепродуктов до 10 г/мл.

Пример 3. Опыт ставился по схеме примера 2. В качестве загрязнителя для проведения эксперимента были выбраны гексадекан, дизельное топливо, нефть малосернистая. Исходная концентрация загрязнителя в воде составляла 2 мг/л. Обработку фитомассы растений гуматом натрия (содержание сухого вещества 100 г/л) производили из расчета 0,1; 0,3; 0,5; 0,7 и 1 мл/(г фитомассы).

Усредненные результаты представлены в таблице 2.

Как видно из таблицы 2, обработка фитомассы гуматами натрия способствует увеличению степени биодеструкции нефти и нефтепродуктов, при этом оптимальной является обработка из расчета 0,3-0,5 мл/ (г фитомассы).

Пример 4. Предлагаемый способ был опробован в опытно-промышленных условиях. В качестве объекта исследования была выбрана р. Шугуровка (г. Уфа, респ. Башкортостан) - правый приток р. Уфы.

С постройкой первого крекинг-завода в 1939 гг. бассейн реки постоянно испытывает техногенную нагрузку от комплекса нефтеперерабатывающих предприятий в северной части города и ОАО «Уфахимпром», находящихся в непосредственной близости от русла реки.

В качестве исследуемого участка был выбран участок на мелководье вдоль Бирского тракта, на 5 км выше по течению от поселка Тимашево. Ширина реки на выбранном участке 5,5 м, глубина 1,6 м.

Для проведения опыта изготавливали пластиковые поддоны 1×2 м. Плантации устанавливали в шахматном порядке в 2 ряда, длинной стороной вдоль течения реки. Обработку растений осуществляли по схеме примера 1.

Эксперимент проводили с мая по сентябрь. Среднесуточная температура на момент проведения опытов изменялась от +12 до +27°С.

Оценку эффективности предлагаемого способа осуществляли по изменению суммарной концентрации нефтепродуктов в контрольных точках, а также косвенно по приросту численности углеводородокисляющих микроорганизмов на поверхности исследуемых растений. Учет микроорганизмов вели путем высева на агаризованную среду Раймонда [Егоров Н.С. Руководство к практическим занятиям по микробиологии. - М: МГУ, 1995. - 224 с.]. Визуальную оценку проводили по наличию или отсутствию радужной пленки на водной поверхности. Отбор проб осуществляли каждые 2 недели в 3 контрольных точках (КТ) согласно [Р 52.24.353-2012. Отбор проб поверхностных вод суши и очищенных сточных вод]. В качестве контроля отбирались пробы воды на 50 м выше по течению от места закладки плантаций.

Результаты исследования представлены в табл. 3 и 4.

Как видно из таблицы 3 и 4, применение данного способа на природных водных объектах, испытывающих значительные техногенные нагрузки от близлежащих промышленных предприятий, позволяет снизить концентрацию токсичных загрязнителей в воде до уровня ПДК.

Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает высокоэффективную очистку водных объектов с малой площадью, в частности малых рек и озер, от нефтяных загрязнений и может быть рекомендован к широкому внедрению.

1. Способ очистки водных объектов от пленочных и эмульгированных нефтепродуктов, включающий применение специальной конструкции, представляющей собой биофильтр, где в качестве загрузки используют водную растительность, а в качестве микроорганизмов - природные ассоциации нефтеокисляющих бактерий, отличающийся тем, что в качестве водной растительности используют водные растения - элодею зубчатую (Elodea densa Plancon) и наяду мелкозубчатую (Najas microdon), в качестве микроорганизмов - консорциум активированных аборигенных нефтеокисляющих микроорганизмов, отобранных непосредственно на месте загрязнения.

2. Способ очистки водных объектов от пленочных и эмульгированных нефтепродуктов по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно в качестве фактора роста микроорганизмов осуществляют предварительную обработку фитомассы растений водным раствором гуминовых препаратов.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что обработку фитомассы водным раствором гуминовых препаратов проводят из расчета 0,3-0,5 мл/г фитомассы.