Способ получения гуминового препарата и его применение для рекультивации нефтезагрязненных, нарушенных и деградированных земель
Группа изобретений относится к биотехнологии. Предложены способ приготовления композиции на основе гуминового препарата, включающий предварительное получение раствора композиции путем смешивания пастообразного гуминового препарата с водой в соотношении 1:4 и добавление непосредственно перед применением бактериального препарата в количестве 2 кг на тонну композиции на основе штаммов Bacillus vallismortis ELA-4 ВКПМ B-11017, Exiguobacterium mexicanum ELA-5 ВКПМ B-11011, Serratia plymuthica ELA-9 VKM B-2819D, Rhodococcus sp. LER-12 BKM Ac-2626D и биоактиватора в количестве 12 литров на тонну композиции, и способ ремедиации нефтезагрязненных почво-грунтов с использованием полученной композиции. Изобретения обеспечивают повышение уровня очистки и восстановительных свойств и плодородия деградированных почв. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 табл., 1 пр.
Изобретение относится к биотехнологии и экологии, в частности к способам получения гуминового препарата и его использованию для рекультивации нефтезагрязненных, нарушенных и деградированных земель.
Важной и актуальной проблемой в деятельности нефтедобывающих и нефтеперерабатывающих предприятий является проблема загрязнения окружающей среды нефтью и нефтепродуктами, которые происходят при их добыче, транспортировке, переработке и использовании.
Значительный ущерб для экосистем в целом наносится при загрязнении нефтью и нефтепродуктами почвенного покрова. Углеводороды нефти и нефтепродуктов при попадании в почву оказывают угнетающее действие на растения и микрофлору, а также ухудшают физико-химические свойства почв. При нефтяном загрязнении почвенные частицы гидрофобизируются: почва теряет способность впитывать и удерживать воду. В результате закупорки почвенных капилляров нефтью сильно нарушается аэрация, создаются анаэробные условия, изменяются окислительно-восстановительные процессы в почве.
Известно применение гуминовых кислот при детоксикации почв, рекультивации загрязненных и нарушенных в результате аварийных розливов нефти земель. Обработка загрязненных нефтепродуктами почв гуминовым концентратом обеспечивает эффективную сорбцию углеводородов и активизацию микробиологических процессов, в результате чего происходит ускоренная очистка почвы. При этом улучшаются основные агрохимические свойства, и повышается плодородие почв.
Одним из известных, экологически безопасных способов очистки нефтезагрязненных почв является использование биологических препаратов на основе штаммов микроорганизмов, способных использовать углеводороды в качестве единственного источника питания и энергии.
Известен способ воспроизводства нефтезагрязненных земель (патент РФ №2555595, МПК B09C 1/10, A62D 3/02, A01B 79/02, опубликован 10.07.2015), согласно которому осуществляют внесение биопрепаратов и посев семян растений с высокой сорбционной способностью. Загрязненные участки орошают водным раствором ПАБК в концентрации 0,1-0,2%. При растворении ПАБК в горячий раствор вводят листья стевии в количестве 0,2%. После остывания раствора до 20-25°С добавляют биопрепарат Байкал - ЭМ-1 в концентрации 1:100. Спустя 2-3 недели после полива высевают культуру амаранта. Повторный полив в той же концентрации осуществляют в фазе ветвления амаранта.
Известен способ рекультивации почв, загрязненных нефтью и нефтепродуктами (патент РФ №2174454, МПК B09C 1/10, опубликован 10.10.2001), включающий внесение в почву препарата Экогум, являющегося продуктом извлечения активных гуминовых кислот бурого угля раствором гидроксида натрия с содержанием водорастворимого гумата натрия не менее 30 мас.% и рН 1%-ного водного раствора 9,0.
К недостаткам указанных выше решений относятся низкая эффективность очистки почв, долгое восстановление плодородия земель и высокозатратная технология.
В качестве ближайшего аналога выбран способ восстановления нефтезагрязненных почв путем внесения микробно-растительных сообществ (патент РФ №2535746, МПК B09C 1/00, B09C 1/10, опубликован 20.12.2014). В способе после предварительного сбора с почвенной поверхности нефти в нефтезагрязненную почву одновременно с интродукцией микроорганизмов-нефтедеструкторов в виде раствора биопрепарата, содержащего микроорганизмы-нефтедеструкторы с минеральными удобрениями, высевают устойчивые к нефтезагрязнению многолетние травянистые растения.
Недостатком данного решения является неэффективность способа, вследствие, внесения биопрепарата с одновременным засеиваем многолетней травой для накопления гумуса, что к тому же финансово затратно. Кроме того, в способе применяется раствор с малым содержанием гуминовых кислот, что ведет к более долгому восстановлению загрязненной почвы.
Технической задачей изобретения является разработка способа получения композиции гуминового препарата и ее применение для рекультивации нефтезагрязненных, нарушенных и деградированных земель.
Техническим результатом является повышение уровня очистки почв, обеспечение обработки почво-грунтов при температуре свыше +5ºС, ускорение очистки и восстановления свойств и плодородия деградированных почв, стимулирование роста растений.
Технический результат достигается тем, что способ приготовления композиции на основе гуминового препарата включает в себя предварительное получение раствора композиции путем смешивания гуминового препарата с водой в соотношении 1:4-1:6, добавление непосредственно перед применением бактериального препарата на основе штаммов Bacillus vallismortis ELA-4 ВКГТМB-11017, Exiguobacterium mexicanum ELA-5 ВКПМB-11011, Serratia plymuthica ELA-9 VKMB-2819D, Rhodococcus sp. LER-12 BKMAc-2626D и биоактиватора.
Также технический результат достигается тем, что способ ремедиации нефтезагрязненных почво-грунтов включает введение в почво-грунт микроорганизмов в составе растворов биопрепаратов и биологическую рекультивацию путем высеивания многолетних травянистых растений, при этом непосредственно перед применением готовят композицию на основе гуминового препарата, которую затем вносят на нефтезагрязненную поверхность почво-грунтов и перемешивают на глубину корнеобитаемого слоя с последующим рыхлением почвы на глубину корнеобитаемого слоя.
Для рекультивации нефтезагрязненных, нарушенных и деградированных земель в заявляемом изобретении применяется композиция, содержащая гуминовый препарат, изготовленный из бурового малозольного угля, бактериальный препарат на основе углеводороокисляющих бактерий и биоактиватор.
При этом гуминовый препарат c pH 4,5-9,5 служит основой композиции и представляет собой пасту темно-бурого или черного цвета, в состав которой входят гуминовые кислоты или соли гуминовых кислот, вырабатываемые из бурого угла, при этом массовая доля сухого вещества составляет не менее 30%, массовая доля гидроксид натрия/ гидроокиси калия составляет не менее 35% от массы сухого вещества, а массовая доля золы - не менее 35% от массы сухого вещества.
Бактериальный препарат включает в себя следующие штаммы микроорганизмов: Bacillus vallismortis ELA-4 ВКГТМB-11017, Exiguobacterium mexicanum ELA-5 ВКПМB-11011, Serratia
plymuthica ELA-9 VKMB-2819D, Rhodococcus sp. LER-12 BKMAc-2626D и минеральный питательный субстрат для бактерий.
В качестве биоактиватора применяют микробиологические препараты, например, биопрепараты «Байкал ЭМ-1» ТУ 9291-001-50710575-00, «Аква ЭМ 1»ТУ 9291-004-80909463-2013, «Восток ЭМ-1» - ТУ 9291-001-65451587-05. Данные препараты представляют собой комбинацию аэробных и анаэробных бактерий, состоящих из:
азотфиксирующих бактерий, которые способны задерживать азот в субстрате, блокируя его испарение на долгий срок, а также ускорять формирование культур в период вегетации;
молочнокислых бактерий, принимающих участие в защите почвы от химикатов и угнетающих рост сорных трав;
фотосинтезирующих бактерий, отвечающих за обновление клеток и тканей растений
дрожжей, вырабатывающих вещества, которые помогают бороться с различными вирусами и плесенью.
Указанная композиция на основе гуминового препарата предназначается для связывания тяжелых металлов, сорбции и ускоренного разложения органических экотоксикантов, детоксикации промышленных и бытовых шламов, буровых растворов и шламов, восстановления свойств и плодородия деградированных почв. Композиция стимулирует рост растений, всхожесть семян, увеличивает приживаемость рассады и саженцев, повышает устойчивость растений к болезням, вредителям, неблагоприятным климатическим и экологическим факторам.
Внесением композиции достигается увеличение коэффициента структурности почво-грунта.
Способ приготовления композиции на основе гуминового препарата включает в себя следующие стадии:
1. Приготовление рабочего раствора путем смешивания гуминового препарата с любой водой в соотношении 1:4-1:6, с помощью мешалки или циркуляционных систем автоцистерны или автомиксера, до получения однородной массы.
2. Добавление непосредственно перед внесением в почву в полученный раствор бактериального препарата на основе углеводороокисляющих бактерий и биоактиватора с последующим перемешиванием до получения однородной массы.
Технология детоксикации и ремедиации нефтезагрязненных почво-грунтов включает следующие операции:
1. Механическая очистка и планировка деградированных и нефтезагрязненных участков земель, вышедших из-под нефтедобычи.
При содержании нефти в субстратах выше 150 г/кг предусматривается изоляция таких проблемных участков боновыми ограждениями и (или) земляными дамбами. После чего осуществляется аварийно-ликвидационные работы, включающие:
- при необходимости, водопонижение, при котором незагрязненные воды отводятся от понижений и перебрасываются в заранее подготовленные обводные каналы;
- механический сбор нефтепродуктов из мест их скопления;
- при необходимости, удаление загрязненной травянистой и древесно-кустарниковой растительности (пни, кусты, коряги и т.п.);
- использование сорбентов и периодический сбор сорбентов с нефтепродуктом;
Ремедиация нефтезагрязненных почво-грунтов с содержанием нефтепродуктов до 150 г/кг производится путем простого внесения в него рабочего раствора композиции.
2. Приготовление непосредственно на месте применения рабочего раствора композиции путем смешивания гуминового препарата с водой в соотношении 1:4-1:6 с последующим добавлением бактериального препарата на основе углеводородокисляющих бактерий и биоактиватора в соответствии со способом приготовления композиции на основе гуминового препарата, указанного выше.
3. Внесение рабочего раствора композиции на нефтезагрязненную поверхность почво-грунтов и перемешивание на глубину корнеобитаемого слоя (до 40 см).
При этом внесение рабочего раствора композиции производится следующим образом: заполненная рабочим раствором поливочная машина/автоцистерна/установка для внесения жидких удобрений въезжает на участок, подлежащий рекультивации и, двигаясь с постоянной скоростью, осуществляет равномерный полив. Последующее внесение рабочего раствора производят параллельными заходами установки. Норма расхода раствора задается заранее и контролируется по приборам учета (счетчикам расхода жидкости установки).
Дозы внесения зависят от количества нефтепродуктов в нефтезагрязненных почво-грунтах, плотности почвы и глубины залегания корневого слоя растений или глубины пахотного горизонта. Поскольку работы связаны с применением водных растворов, их рекомендуется проводить при среднесуточной температуре воздуха не менее +5ºС.
При этом количество раствора композиции, необходимого для обработки нефтезагрязненной и деградированной почвы, определяется по формуле:
Q=Const*X*P*H*S, где
Const – экспериментально установленный коэффициент, равный 0,214,
X – коэффициент, численной равный содержанию нефтепродуктов в почве от 1 до 150 г/кг,
Р – насыпная плотность почвы, т/м3,
Н – глубина корнеобитаемого (почвенного) слоя, м;
S – площадь загрязненной нефтью территории, м2.
Концентрация гуминовых кислот в растворе композиции составляет 6-8%.
4. Рыхление почвы (вспашкой, дискованием или боронованием) на глубину корнеобитаемого слоя в направлении перпендикулярно направлению внесения рабочего раствора.
При этом до окончания вегетационного сезона два раза в месяц, производится отбор проб, создание и анализ смешанного образца почво-грунта для организации постоянного мониторинга состояния участка. При значении показателей загрязнения почво-грунтов выше ПДК проводится дополнительная механическая обработка почво-грунта участка (однократные вспашка, боронование или дискование). В случае засушливой погоды осуществляется искусственный полив.
5. Биологическая рекультивация (фитомелиорация) загрязненных и деградированных участков путем создания на них зеленых насаждений (посевов многолетних трав и древесно-кустарниковых растений).
Биологический этап рекультивации начинается либо в осенний период текущего вегетационного сезона, либо в весенний период следующего.
Перед началом фитомелиоративных работ боновые ограждения и временное оборудование демонтируются и вывозятся, кавальеры и другие земляные сооружения скапываются, участок подвергается окончательной планировке.
Контроль за рекультивационными работами осуществляется непосредственно на месте проведения работ.
Рекомендуемый перечень растений для рекультивации включает виды трав, малотребовательных к почвенным условиям, бесструктурности почв, устойчивых к засухе или избытку влаги, засолению, морозам и др. Растения должны иметь мощную корневую систему, уходящую за пределы уровня загрязнения, чтобы сформировать значительную надземную часть, предохраняющую верхний слой от чрезмерного усыхания (для развития корневой системы трав в самом верхнем слое) и создать благоприятную почвенную структуру.
6. Завершение детоксикации при соответствии двух взаимопоследующих проб требованиям к основным физико-механическим свойствам почво-грунтов, достигаемым с применением композиции на основе гуминового препарата.
При необходимости весь цикл детоксикационных работ повторяется в следующем вегетационном сезоне.
Технология допускает использование серийного сельскохозяйственного, лесного и коммунального оборудования.
На площадках рекультивации рекомендуется визуальный метод контроля состояния почв и физико-химические методы анализа. При аварийных разливах нефти определяют размеры, площадь и конфигурацию загрязненных участков. Пробы отбирают по диагонали участка через 8-10 м, начиная с края. Общая продолжительность наблюдения должна быть не менее 2-3 лет. По окончанию рекультивации на проектируемых площадках и трассах рекомендуется отобрать пробы почвы на агрохимический и химический состав.
Пример
Приготовление рабочего раствора гуминового препарата включает доставку на место препарата «ГУМИНОКС» в виде пасты с 24%-ным содержанием гуминовых кислот в мягких полимерных контейнерах («Big-bag») массой 800 кг или в бочках по 200 л.
Транспортирование и хранение препаратов производится по ГОСТ 14189-81 и ОСТ 6-15-90.4-90, а также в соответствии с гигиеническими требованиями к хранению, применению и транспортировке пестицидов и ядохимикатов» СаНПиН 1.2.1077-01.
Далее осуществляется приготовление композиции на основе гуминового препарата, получаемой смешиванием в мешалке в течение получаса 1 т гуминового препарата «ГУМИНОКС» и 4 т воды на одну загрузку.
Непосредственно перед внесением в нефтезагрязненную почву с уровнем нефтезагрязения до 150 г/кг в полученный раствор композиции на основе гуминового препарата на 1т добавляют бактериальный препарат в количестве 2 кг на тонну композиции, включающий в себя следующие штаммы микроорганизмов: Bacillus vallismortis ELA-4 ВКГТМB-11017, Exiguobacterium mexicanum ELA-5 ВКПМB-11011, Serratia plymuthica ELA-9 VKMB-2819D, Rhodococcus sp. LER-12 BKMAc-2626D и минеральный питательный субстрат для бактерий, и биоактиватор «Байкал – ЭМ1» в количестве 12 литров на тонну композиции.
При этом количество раствора, необходимого для обработки нефтезагрязненной и деградированной почвы, определяется по формуле Q=Const*X*P*H*S, где Const= 0,214. Композиция на основе гуминового препарата вносится на участок площадью S = 1 м2, на глубину Н = 0,4 м. Учитывая насыпную плотностью почвы, равную Р = 1,4 т/м3 и уровень нефтезагрязнения X =150 г/кг, получаем массу композиции на основе гуминового препарата, достаточной для обработки нефтезагрязненной почвы:
Q=0,214*150*1,4*0,4*1 = 17,976 кг/м3.
Концентрация действующего вещества в растворе составляет 8%.
После обработки нефтезагрязненной почвы проводятся рыхление почвы на глубину корнеобитаемого слоя с последующей высадкой семян мятлика лугового.
Выявлено, что при обработке нефтезагрязненной почвы композицией, содержащей гуминовый препарат, общая концентрация нефтепродуктов уменьшается в среднем в два раза, при этом кислотность почво-грунтов практически не меняется (рН=6,9 и рН=6,7).
Как видно из протоколов анализов образцов почво-грунтов за два месяца с начала и до завершения основных этапов работы содержание хлоридов снизилось почти в 3 раза (3,5 мг/кг и 1,2 мг/кг), содержание опасного канцерогена – бенз(а)пирена уменьшилось более чем в два раза (0,0323мг/кг и 0,014 мг/кг).
Результаты обработки образцов приведены в таблице 1.
Таблица 1 - Сравнение степени загрязнения субстрата до обработки и после обработки
| № п.п. |
Показатели | Единицы измерения | Результаты исследований | ||
| До обработки | После обработки (через 30 суток) |
Контроль (через 30 суток) |
|||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
| 1 | Нефтепродукты общие | Мг/кг | 20000,0 | 2250,0 | 1213,0 |
| 2 | Ароматические углеводороды |
Мг/кг | 3860,0 | 1540,0 | 1318,0 |
| 3 | Бенз(а)пирен (подвиж.) |
Мг/кг | 0,127 | 0,032 | 0,014 |
| 4 | Хлориды (подвиж.) |
Мг/кг | 24,3 | 3,5 | 1,2 |
Сравнение экологической и агрономической эффективности композиции на основе гуминового препарата и других видов минеральных и органических удобрений (Таблица 2) показало, чтозаявляемая композиция на основе гуминового препарата способствует восстановлению почвенной структуры, повышая плодородие земель и увеличивая каталазную активность почвы в отличие от минеральных удобрений, навоза и биогумуса, которые либо не оказывают положительного влияния на плодородие, либо позволяют достичь кратковременного улучшения. Кроме того, внесение композиции на основе гуминового препарата формирует оптимальные водно-воздушные и окислительно-восстановительные режимы, что способствует нормальному функционированию почвенного покрова.
Таблица 2 - Сравнение экологической и агрономической эффективности композиции на основе гуминового препарата и других видов минеральных и органических удобрений
| Определяемый показатель | Ед. измерения | Минеральные удобрения | Навоз КРС | Биогумус | Заявляемая композиция на основе гуминового препарата |
| Удобрительный эффект | У/ед. | 100 | 3 | 7-12 | 100 |
| Последействие | лет | 1-2 | 2-5 | 1-2 | 5-7 |
| Эрозия почв | Усиливается | Замедляется | Замедляется или прекращается | ||
| Почвоообразующий эффект | нет | нет | нет | Значительный | |
| Влияние на плодородие | Отрицательное | Кратковременное улучшение | Нулевое или низкое | Плодородие интенсивно восстанавливается, увеличивается каталазная активность почвы | |
| Действие на гумус | Дегумификация | Кратковременное положительное действие | Содержание гумуса увеличивается до 3х раз | ||
| Влияние на морозостойкость и засухостойкость | Не эффективное | нет | Высокоэффектив-ное, влагоемкость почвы повышается до 40% | ||
| Загрязнение окружающей среды | Содержат токсичные элементы | Может быть источником | нет | нет | |
| Дозы внесения | т/га | 0,1-0,9 | 6-60 | 5-10 | 0,2-0,4 |
Таким образом, при содержании в композиции гуминового препарата и воды в соотношении 1:4 и, следовательно, 8%-ной концентрации действующего вещества в растворе, достигаются наиболее эффективные показатели очистки почвы.
При этом если обрабатывать почво-грунт раствором композиции, в которой соотношение гуминового препарата к воде составляет 1:10 достигается незначительный эффект. А при использовании композиции с соотношением гуминового препарата и воды 1:2 – почва затвердевает.
Разработанная технология может эффективно применяться на всех территориях с умеренным и умеренно-континентальным, а также субтропическим климатом, который характеризуется продолжительностью теплового периода (устойчивая температура выше 0ºС) около 100-200 суток в году и устойчивого безморозного периода (среднесуточная температура выше +5ºС) не менее 120 суток, с количеством осадков не менее 500 мм/год и за теплый период (март-ноябрь в зависимости от региона) - 320-340 мм. Технология адаптирована ко всем типам и подтипам почв степной или лесостепной зоны, характеризующихся следующими основными параметрами: черноземы, серые лесные или дерново-подзолистые почвы, рН 5,5-7,5.
Преимущества
Применение гуминовой композиции позволяет максимально задействовать и использовать все существующие природные механизмы самоочищения. Внесение композиции в субстрат способствует снижению токсичности углеводородов, ускорению процессов их биохимического разложения, вызывает интенсификацию естественных процессов самоочищения нефтезагрязненных субстратов. Имея в своем составе гидрофобные и гидрофильные фрагменты структуры, гуминовые вещества хорошо сорбируют нефтепродукты, обеспечивая возможность для дальнейшего их разложения почвенной микрофлорой. Обработка почво-грунтов композицией на основе гуминового препарата может осуществляться при температуре свыше +5ºС.
После внесения композиции в нефтезагрязненные почвы с содержанием нефтепродуктов менее 5% уже в течение 2-3 месяцев формируются оптимальные водно-воздушный и окислительно-восстановительные режимы, что способствует нормальному функционированию почвенного покрова и восстановлению сложившейся на данной территории экосистемы.
1. Способ приготовления композиции на основе гуминового препарата, включающий в себя предварительное получение раствора композиции путем смешивания пастообразного гуминового препарата с водой в соотношении 1:4 и добавление непосредственно перед применением бактериального препарата в количестве 2 кг на тонну композиции на основе штаммов Bacillus vallismortis ELA-4 ВКПМ B-11017, Exiguobacterium mexicanum ELA-5 ВКПМ B-11011, Serratia plymuthica ELA-9 VKM B-2819D, Rhodococcus sp. LER-12 BKM Ac-2626D и биоактиватора в количестве 12 литров на тонну композиции.
2. Способ приготовления композиции на основе гуминового препарата по п.1 формулы изобретения, отличающийся тем, что в качестве биоактиватора применяют микробиологические препараты «Байкал ЭМ-1», «Аква ЭМ 1», «Восток ЭМ-1».
3. Способ ремедиации нефтезагрязненных почво-грунтов, включающий введение в почво-грунт микроорганизмов в составе растворов биопрепаратов и биологическую рекультивацию путем высеивания многолетних травянистых растений, отличающийся тем, что непосредственно перед применением готовят композицию на основе гуминового препарата по способу, указанному в п.1 формулы изобретения, которую затем вносят на нефтезагрязненную поверхность почво-грунтов и перемешивают на глубину корнеобитаемого слоя с последующим рыхлением почвы на глубину корнеобитаемого слоя.
