Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы 6
1.1. Микробиологические процессы в нефтезагрязненных почвах 6
1.2. Микроорганизмы - деструкторы нефти и нефтепродуктов 9
1.3. Биотехнологические методы очистки окружающей среды от нефтяного загрязнения 18
2. Объекты и методы исследований 31
2.1. Объекты исследований 31
2.2. Изучение эффективности процесса биодеструкции нефтепродуктов в лабораторных и полевых экспериментах 33
2.3. Статистическая обработка результатов
3. Исследование процесса биологической рекультивации отработанной отбеливающей земли в лабораторных условиях 3 6
4. Реализация процесса биологической рекультивации отработанной отбеливающей земли в полевых условиях 55
Выводы 80
Список литературы
- Микроорганизмы - деструкторы нефти и нефтепродуктов
- Биотехнологические методы очистки окружающей среды от нефтяного загрязнения
- Изучение эффективности процесса биодеструкции нефтепродуктов в лабораторных и полевых экспериментах
- Реализация процесса биологической рекультивации отработанной отбеливающей земли в полевых условиях
Введение к работе
Актуальность проблемы. Техногенные отходы процессов нефтепереработки и нефтехимии, содержащие различные нефтепродукты, являются одними из высокотоксичных загрязнителей окружающей среды. Наиболее перспективным направлением рекультивации нефтезагрязненных объектов является применение биологического метода, основанного на использовании биохимического потенциала микроорганизмов, позволяющего ускорить разложение углеводородов, не нанося ущерба нарушенной экосистеме Одним из крупнотоннажных отходов процессов получения минеральных масел является отработанная отбеливающая земля, содержащая в своем составе полициклические ароматические и смолистые соединения Так, например, в 1998 году только на полигоне промышленных отходов ОАО «Орскнефтеоргсинтез» было накоплено свыше 100 тыс тонн нефтезагрязненного грунта В связи с этим разработка технологии биологической рекультивации отработанной отбеливающей земли, загрязненной нефтепродуктами, является актуальной задачей Цель исследования. Разработка технологии биологической рекультивации отработанной отбеливающей земли, загрязненной углеводородами. Задачи исследования.
1 Определить возможность использования избыточного активного ила
биологических очистных сооружений для биологической рекультивации
отработанной отбеливающей земли
2 Определить эффективность использования различных
высокоокисленных химических соединений в процессе биологической
рекультивации отработанной отбеливающей земли.
3. Разработать технологию биоремедиации нефтезагрязненной отработанной отбеливающей земли, основанную на использовании избыточного активного ила биологических очистных сооружений и высокоокисленных химических соединений
4. Разработать способ очистки и технологию биоремедиации отработанной отбеливающей земли, содержащей нефтепродукты, с использованием биопрепарата-нефтедеструктора «Ленойл» Научная новизна. Разработан новый способ биологической рекультивации отработанной отбеливающей земли, загрязненной нефтепродуктами, основанный на использовании избыточного активного ила биологических очистных сооружений и высокоокисленных химических соединений
Разработан новый способ биологической рекультивации отработанной отбеливающей земли, основанный на использовании биопрепарата-нефтедеструктора «Ленойл»
Практическая значимость. Доказана высокая эффективность использования различных вариантов технологии биологической рекультивации отработанной отбеливающей земли, загрязненной нефтепродуктами За период 1998-2006 гг в ОАО «Орскнефтеоргсинтез» по разработанной технологии рекультивировано свыше 100 тыс тонн этого техногенного отхода процесса нефтепереработки
Апробация работы. Основные результаты исследований были представлены на Всероссийской конференции «Почва, жизнь, благосостояние» (Пенза, 2000), XIX Международной научно-технической конференции «Химические реагенты, реактивы и процессы малотоннажной химии» (Уфа, 2006), III Международной научно-технической конференции «Наука, образование, производство в решении экологических проблем. Экология-2006» (Уфа, 2006)
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 научных работ, в том числе 2 патента Российской Федерации
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания объектов и методов исследования, экспериментальной части (2 главы), выводов, списка цитируемой литературы. Работа изложена на 97 страницах, содержит 17 таблиц и 13 рисунков Список использованной литературы включает 141 наименований, из них 108 на русском языке
Микроорганизмы - деструкторы нефти и нефтепродуктов
Процесс естественного фракционирования и разложения нефти начинается с момента ее поступления на поверхность почвы. Выделяют три наиболее общих этапа трансформации нефти в почвах: 1) физико-химическое и частично микробиологическое разложение алифатических углеводородов; 2) микробиологическое разложение, главным образом, низкомолекулярных структур различных классов, образование смолистых веществ; 3) трансформация высокомолекулярных соединений: смол, асфальтенов, циклических углеводородов (Исмаилов, Пиковский, 1988). Длительность процесса трансформации нефти в различных почвенно-климатических зонах может быть различной - от нескольких месяцев до нескольких десятков лет (Бочарникова, 1990).
Загрязнение нефтью оказывает отрицательное воздействие на химические, физические и биологические свойства почв. Под влиянием нефти и ее компонентов изменяется численность микроорганизмов основных физиологических групп (Margesin et al., 2000), ухудшаются агрофизические, агрохимические свойства почвы (Солнцева, Никифорова, 1989), снижаются активность окислительно-восстановительных и гидролитических ферментов (Киреева и др., 2000, 2002), обеспеченность почвы подвижными формами азота и фосфора (Atlas, 1991, Boopathy, 2000). Попадание углеводородов в почву приводит к изменению поведения и гибели беспозвоночных животных (Трублаевич, Семенова, 1997).
На разложение нефти в почве решающим образом влияет функциональная активность комплекса почвенных микроорганизмов, обеспечивающих полную минерализацию нефти и нефтепродуктов до углекислого газа и воды. В настоящее время в России в МГУ на кафедре биологии почв под руководством Д.Г. Звягинцева создано целое направление по изучению влияния различных видов антропогенных воздействий на почвенные микроорганизмы. На основе методов, разработанных русской школой, установлено четыре зоны действия токсикантов на почвенные микроорганизмы: зона гомеостаза, стресса, резистентности и репрессии (Гузев с соавт., 1980). С помощью лабораторных моделей предпринята попытка эколого-токсикологического нормирования содержания нефти и других поллютантов в почвах разного типа (Звягинцев с соавт., 1989; Левин с соавт., 1995).
Обогащение почвы нефтью в пределах до 1-3 мл/кг обычно оказывало лишь общее стимулирующее действие на почвенную микробиоту. Общая биомасса микроорганизмов амилолитического микробного сообщества несколько возрастала, а его состав оставался постоянным. Этот интервал концентрации нефти в почве определяется как зона гомеостаза.
При концентрациях нефти в интервале значений до 10-30 мл/кг она уже выступает как активный модификатор микробиологических свойств почвы. В этом диапазоне нагрузки, названной зоной стресса, происходит значительное перераспределение доминантов в составе активно функционирующего микробного сообщества. Организмы, занимающие минорные позиции в исходной почве, становятся доминирующими и, наоборот.
При повышении концентрации нефти до 300 мл/кг (зона резистентности) можно обнаружить значительное снижение активности сапротрофной микробиоты, преимущественное развитие углеводородокисляющих микроорганизмов, активно разрушающих нефтепродукты. Еще больший уровень загрязнения - зона репрессии выделяется на том основании, что при концентрациях нефти больше 300 мл/кг за счет плохой аэрации и острого токсического действия загрязнителя в почве практически полностью подавляется биологическая активность.
Помимо полного и частичного разложения углеводороды могут включаться в состав гумусовых веществ. Е.Е. Орловой с соавторами (1996) в природных условиях и модельном опыте зафиксировано увеличение абсолютного содержания всех фракций гумусовых веществ и изменение свойств гумуса подзолистой суглинистой, дерново-подзолистой почвы и типичного чернозема под влиянием загрязнения нефтью.
Н.А. Киреевой (1995) показана токсичность ароматических углеводородов для микроорганизмов почвы и их негативное воздействие на ферментативную активность. Наиболее чувствительными к загрязнению ароматическими углеводородами являются нитрифицирующие и целлюлозоразрушающие микроорганизмы, которые могут служить индикаторами загрязнения почв. В полевых условиях исследовано влияние нефтяного загрязнения (8, 16, 25 л/м ) на морфологические, физиологические характеристики ячменя двурядного - детерминанта консорции и на ризосферные микроорганизмы - консорты - в серой лесной почве. Нефтяное загрязнение, как следует из результатов экспериментов, приводит к нарушению консортивных связей: отрицательно действует на ячмень, снижая его фотосинтетическую активность и продуктивность; ризосферные микроорганизмы заменяются нетипичными для этих почв видами. В результате снижается продуктивность агроценозов.
Загрязнение нефтью существенно изменяет комплекс почвенных актиномицетов, снижая их численность и обедняя видовой состав (Киреева, 1995, 1996). Кроме того, показано, что в загрязненной нефтью почве возрастает число фитопатогенных и фитотоксичных видов микроскопических грибов. Развитие фитотоксичных форм грибов может усилить отрицательное воздействие на почву нефтяного загрязнения (Киреева, 1995,1996; Киреева, Галимзянова, 1995).
Показано, что загрязнение нефтью приводит к существенному (на два порядка) снижению численности гетеротрофной части микробного комплекса, отмеченного на начальных этапах воздействия нефти. Через три месяца происходит восстановление численности гетеротрофов (Сидоров с соавт., 1997).
Биотехнологические методы очистки окружающей среды от нефтяного загрязнения
Целью настоящей работы было изучение возможности квалифицированного применения избыточного активного ила биологических очистных сооружений нефтеперерабатывающего завода им. В.Чкалова ОАО «Орскнефтеоргсинтез» для биоремедиации отработанной отбеливающей земли.
Из образца активного ила было выделено 18 ассоциаций штаммов микроорганизмов-деструкторов углеводородов. Четыре наиболее активных штамма, охарактеризованные как Bacillus sp., Pseudomonas sp., Rhodococcus sp. и Arthrobacter sp., и обозначенные как 2.1, 2.4, 4.1, 5.1 соответственно, были использованы в опыте по деградации выделенных из отработанной отбеливающей земли смеси остаточных углеводородов двух фракций. Эти фракции были получены методом колоночной хроматографии с использованием в качестве экстрагентов гексана (гексановая фракция, в основном, содержащая неполярные углеводороды) и изопропанола (изопропаноловая фракция, содержащая, в основном, полярные углеводороды). Из полученных фракций экстрагент удалялся при перегонке, а остаточные углеводороды использовались далее в экспериментах.
Изучение способности выделенных культур утилизировать отдельные компоненты остаточных углеводородов отбеливающей земли проводилось в серии следующих лабораторных модельных опытов. В качестве субстрата был использован отмытый простерилизованный песок. В стеклянные стаканы объемом 500 мл внесли по 80 г песка, стерильную питательную среду Цукамуры из расчета 2% от массы песка, углеводородные фракции из расчета 5% от массы песка и по 15 мл культуральной жидкости (трехсуточную биомассу штаммов 2.1, 2.4, 4.1, 5.1, выращенных заранее на среде Цукамуры с мелассой и стерильной смесью углеводородов, экстрагированной гексаном или изопропанолом из отбеливающей земли). Сроки инкубации составили 1,7, 14, 21 сутки; результаты экспериментальных данных обобщены в табл. 1
Таким образом, показано, что выделенные из активного ила биологических очистных сооружений штаммы микроорганизмов-деструкторов способны к утилизации углеводородов различной химической структуры, присутствующих в отработанной отбеливающей земле. Вместе с тем, необходимо отметить, что степень биодеградации остаточных углеводородов под действием отдельных ассоциаций микроорганизмов, выделенных из активного ила, сравнительно невелика.
В связи с этим в модельном эксперименте исследована задача повышения эффективности биодеградации нефтепродуктов, содержащихся в отбеливающей земле, путем применения активного ила, используемого для очистки нефтесодержащих сточных вод, и добавок оксигенных химических соединений.
Для выявления динамики микробиологической активности исследования проводились в интервале 1 и 30 суток после закладки опыта. В табл. 2 приведены данные за два срока исследования и показатели утилизации углеводородов через 30 суток эксперимента. Как видно из табл. 2, максимальная численность бактерий, утилизирующих органические формы азота (на МПА), была в варианте с внесением мелассы. Принимая во внимание, что концентрация глюкозы до 1 г на килограмм почвы оказывает стимулирующее воздействие, доза внесенной мелассы рассчитывалась исходя из количества имеющейся в ее составе сахарозы (40%). Общая биогенность, определенная через 1 и 30 суток, в варианте с мелассой была выше, чем в контроле, что свидетельствует о положительном влиянии используемой добавки. Стимулирующий эффект наблюдается и при внесении Бациспецина, а также этого биопрепарата совместно с биотрином, что подтверждается максимальной численностью углеводородокисляющих микроорганизмов в этих вариантах. При анализе состава углеводородокисляющей микрофлоры выявлено появление значительного количества микромицетов, способных использовать остаточные углеводороды в отбеливающей земле в качестве единственного источника энергии. Расширение состава углеводородокисляющих микроорганизмов за счет микромицетов может положительно сказаться на глубине и полноте деструкции углеводородов отбеливающей земли.
Следует отметить, что через 30 суток инкубации общий уровень биогенности во всех вариантах модельного опыта оказался выше исходного, что свидетельствует о благоприятном влиянии используемых приемов рекультивации отбеливающей земли на микрофлору системы. Утилизация остаточных углеводородов через 30 суток инкубации была максимальной в варианте совместного внесения Бациспецина и биотрина (28%).
Изучение эффективности процесса биодеструкции нефтепродуктов в лабораторных и полевых экспериментах
На основании результатов комплекса лабораторных экспериментов были осуществлены эксперименты по биологической рекультивации отработанной отбеливающей земли, загрязненной нефтепродуктами, в полевых условиях. Эти эксперименты проведены на отвалах ОАО «Орскнефтеоргсинтез».
Технология процесса биологической рекультивации, осуществленного в 1998 году, заключалась в смешении отработанной отбеливающей земли с избыточным активным илом биологических очистных сооружений, внесением рабочей суспензии, состоящей из минеральных солей (динатрий фосфат - 1500 кг, магния сульфат - 160 кг, фосфат аммония - 200 кг, аммиак водный (25%) - 208 кг) и органических добавок (меласса - 4200 кг, биотрин (белково-витаминный препарат) - 2200 кг. Площадь экспериментального участка, на котором было отсыпано 2000 тонн отбеливающей земли, составляла 10 соток. В течение весенне-летне-осеннего сезона периодически проводили рыхление и полив участка.
На экспериментальном участке были выбраны 5 контрольных точек, с которых отбирались образцы рекультивируемого грунта для определения содержания остаточных нефтепродуктов, результаты анализов (средние величины) приведены в табл. 5.
Таким образом, реализация представленного варианта технологии биологической рекультивации отработанной отбеливающей земли позволила снизить за три месяца рекультивационных мероприятий содержание остаточных нефтепродуктов с 29 до 11 мас.%, т.е. в 2,6 раза
Технология процесса биологической рекультивации, осуществленного в 1999 году, заключалась в смешении отработанной отбеливающей земли с избыточным активным илом биологических очистных сооружений, внесением рабочей суспензии, состоящей из минеральных солей (динатрий фосфат - 480 кг, магния сульфат - 100 кг, железо сернокислое окисное - 250 кг, калийная селитра - 1000 кг, натриевая селитра - 1200 кг, суперфосфат -2000 кг) и перекиси водорода - 10 тонн 33%-ного раствора. Площадь экспериментального участка, на котором было отсыпано 3000 тонн отбеливающей земли, составляла 15 соток. В течение весенне-летне-осеннего сезона периодически проводили рыхление и полив участка.
Результаты определения содержания остаточных нефтепродуктов в образцах рекультивируемого грунта, отобранных в течение весенне-летне-осеннего сезона 1999 года, приведены в табл. 6. Таблица 6 Содержание остаточных нефтепродуктов в рекультивируемой отбеливающей земле на участке 1999 года
Результаты, приведенные в табл. 6, показывают, что реализация представленного варианта технологии биологической рекультивации отработанной отбеливающей земли с внесением в субстрат таких высокоокисленных соединений, как перекись водорода и суперфосфат, позволила снизить за три месяца рекультивационных мероприятий содержание остаточных нефтепродуктов с 30,5 до 8,2 мас.%, т.е. в 3,7 раза.
Изучение численности основных эколого-трофических групп микроорганизмов в образцах отбеливающей земли с участков, рекультивированных в 1998 и 1999 гг., показало, что общий уровень биогенности после проведения комплекса рекультивационных мероприятий на этих участках оказался значительно выше, чем в исходной отбеливающей земле (табл. 7).
Снижение содержания остаточных нефтепродуктов в результате проведения вышеописанных вариантов технологии биологической рекультивации отработанной отбеливающей земли и повышение общего уровня ее биогенности позволило оценить положительный эффект по фитотоксичности этого субстрата (табл. 8). Таблица 7 Численность основных эколого-трофических групп микроорганизмов
Для полного разложения остаточных нефтепродуктов необходимо использование потенциала микроорганизмов ризосферы растений, т.е. заключительный этап рекультивации связан с возможностями фитомелиорации.
Обследования территории отвалов отработанной отбеливающей земли выявили предельно медленные темпы естественного зарастания. По-видимому, водно-воздушные свойства отвалов накладывают специфический отпечаток на формирование растительного покрова. На глинах низкая воздухообеспеченность сильно ограничивает рост растений. На стадии пионерской группировки в составе флоры преобладают летне-осенние однолетники и практически отсутствуют весенние эфемеры. Собранный гербарий включал в себя следующие растения: Asparagus officinalis, Galium ruthenicum, Phlomoides tuberose, Potentilla bifurca, Artemisia austriaca, Spirea crenata, Spirea hypericifolia, Stipa pennata, Verbascum phoeniceum, Poa transbuicalica.
На начальных стадиях освоения отвалов эта растительность и составляет естественный травостой. Для создания искусственного растительного покрова необходимы растения, обладающие способностью к симбиотической фиксации атмосферного азота и растения-галофиты. При восстановлении плодородия различных субстратов на первом мелиоративном этапе необходимо использовать нетребовательные к почвенным условиям травянистые растения, образующие большую подземную и надземную массу и обогащающие отбеливающую землю азотом и органическим веществом. Всхожесть и развитие некоторых из них нами были изучены в вегетационных сосудах в лабораторных экспериментах.
Для модельных опытов использовали отбеливающую землю, отобранную с рекультивированных ранее участков, на которую были высажены следующие растения: люцерна, тимофеевка, клевер, костер, овсяница и смесь трав, состоящих из овсяницы, тимофеевки и люцерны. Всхожесть семян овсяницы в вегетационных опытах составила 90%, клевера - 85%, тимофеевки - 60%, костра - 40%, люцерны и смеси трав - менее 10% от контроля.
Реализация процесса биологической рекультивации отработанной отбеливающей земли в полевых условиях
Технология процесса биологической рекультивации, осуществленного в 2005 году, заключалась в обработке отработанной отбеливающей земли высокоокисленным реагентом, в качестве которого использована перекись водорода (40,0 т), периодическим в течение сезона внесением рабочей суспензии, состоящей из минеральных солей (аммиачная селитра - 120,0 т, мочевина - 51,1 т, натрий фосфорнокислый 2-зам. - 10,5 т, калий фосфорнокислый 2-зам. - 5,0 т, аммоний фосфорнокислый 1-зам. - 3,3 т, аммоний фосфорнокислый 2-зам. - 12,0 т, калий фосфорнокислый 1-зам. -3,88 т, калий фосфорнокислый 3-зам. - 28,8 т, суперфосфат - 42,7 т, магния сульфат - 2,5 т, железо сернокислое - 0,6 т, калийная селитра - 24,0 т), органической добавки (дрожжевой автолизат - 2,5 т, а также иловые осадки с метантенка и песколовок биологических очистных сооружений ОАО «Орскнефтеоргсинтез» - 15 т) и периодическим внесением биопрепарата о нефтедеструктора «Ленойл» (154,0 т с титром жизнеспособных клеток - 10 КОЕ/мл). Площадь экспериментального участка, на котором было отсыпано 50000 тонн отбеливающей земли, составляла 300 соток. В течение весенне-летне-осеннего сезона периодически проводили рыхление и полив участков.
Результаты проведения рекультивационных мероприятий в 2005 году отражены в табл. 11, где представлена динамика снижения содержания остаточных нефтепродуктов в рекультивированном грунте. Таблица 11 Содержание остаточных нефтепродуктов в рекультивируемой отбеливающей земле на участке 2005 года
Наибольшая скорость деструкции углеводородов наблюдалась в начале лета, что, скорее всего, связано с разложением наиболее доступных для микроорганизмов фракций, а также в конце лета, что можно объяснить адаптацией микробных деструкторов к данному субстрату. К концу сезона работ концентрация нефтепродуктов в рекультивируемом грунте составила 8,71 мае. % при исходном содержании, составляющим 18,29 мас.%.
Максимальная численность углеводородокисляющих микроорганизмов в рекультивируемой отбеливающей глине была зарегистрирована в середине июня и августа месяца, что совпадает по времени с периодами интенсивной обработки биопрепаратом "Ленойл".
Анализ динамики численности углеводородокисляющих микроорганизмов позволяет говорить о том, что дробное внесение биопрепарата в течение летнего сезона позволило стабилизировать численность деструкторов нефтепродуктов в рекультивируемом грунте и снизить ее зависимость от погодных условий, наблюдавшуюся нами в предыдущие полевые сезоны. На заключительном этапе рекультивации нами был осуществлен выходной контроль состояния микробного сообщества рекультивированной отбеливающей земли. Соотношение разных групп микроорганизмов, выделенных на селективных питательных средах, приведено в таблице 12.
Проверка всхожести семян редиса, разложенных на пластинках грунта в чашках Петри, показала, что рекультивируемая почва стала более благоприятной для роста растений. Если на образцах грунта, отобранных в мае месяце, всходило 28,2% разложенных семян, то к сентябрю месяцу этот показатель увеличился до 90,3%.
На участках, рекультивация которых была начата в предыдущие годы, наблюдался процесс естественного самозарастания рудеральными растениями, что говорит о приемлемых агрономических свойствах грунта на этих участках (рис. 13). Рис. 13. Естественное самозарастание участков, рекультивированных в предыдущие сезоны. Определение класса опасности для окружающей природной среды отхода - глина отбеливающая с содержанием нефтепродуктов после обезвреживания
Отход анализировался в Контрольно-аналитической лаборатории Института биологии УНЦ РАН (аттестат аккредитации № РОСС RU. 0001.512278), действителен до 21.08.2006 г., на содержание токсичных ингредиентов, в табл. 13 приведен перечень методик и указан метод (прибор) анализа. Результаты анализов усредненных с трех участков проб грунта приводится в табл. 14.
Отход образовался при контактной доочистке масел на установках 42-1 и 42-2 ОАО «Орскнефтеоргсинтез» и далее складировался на территории промсвалки в отвалах. Для снижения содержания нефтепродуктов отход обрабатывался культурами углеводородокисляющих микроорганизмов -биопрепарат «Ленойл» (на одном из участков использовался консорциум микроорганизмов, содержащихся в активном иле с биологических очистных сооружений г. Орска), с последующей стимуляцией микробиологических процессов внесением органических и минеральных удобрений и проведением агротехнических мероприятий. При этом органические загрязнители подвергаются деструкции с выделением оксида углерода и воды.
Тяжелые металлы содержатся в отходе, в основном, в виде окислов, аналогично природным грунтам, щелочноземельные металлы - в виде солей и окислов. В табл. 15 приведены предположительные химические превращения тяжелых металлов в процессе образования отхода и валовое содержание токсичных ингредиентов, в табл. 16 приведены превращения, протекающие при определении подвижных форм токсичных соединений и содержание подвижных форм токсичных ингредиентов.
Класс опасности отхода определяется расчетным методом, в качестве критерия токсичности могут быть использованы ПДК химического вещества в почве, либо LD50. Опасность для окружающей среды определяется способностью растворимого вещества мигрировать в грунтовые воды, накапливаться в растениях и переходить в атмосферный воздух. Данные по компонентам отхода приведены в табл. 14-16; поскольку для подвижной формы веществ, составляющих отход, имеются предельно допустимые концентрации их в почве, расчет класса опасности проведен, используя значения ПДК почв (табл. 17).
