Реабилитация земель, загрязненных нефтью и нефтепродуктами при помощи микробиологических препаратов

В процессах соокисления культурами, растущими за счет других ростовых субстратов.

Микроорганизмы, способные усваивать углеводороды нефти, могут быть использованы для решения экологических проблем, поэтому при поиске микроорганизмов-деструкторов необходимо учитывать, что вносимая в почву микробная биомасса не должна быть чужеродной для почвенной микрофлоры. Еще одним важным условием является их непатогенность. Микроорганизмы-деструкторы должны обладать высокой жизнестойкостью, так как они могут подвергаться воздействию неблагоприятных факторов окружающей среды, таким как колебания температуры, высокая и низкая влажность, изменение рН среды, нехватка питательных элементов.

Для ликвидации нефтяных загрязнений в почве разработан целый ряд биопрепаратов, содержащих в составе активный штамм-деструктор или сообщество микроорганизмов, обладающих катаболической активностью в отношении нефтяных углеводородов, и минеральные добавки.

Наиболее известными зарубежными биопрепаратами являются американские препараты “Микробар” и “Парабан” (США). В товарном виде они представляют собой порошкообразные вещества и хорошо растворимые в воде. По данным НИИ гигиены имени Эрисмана, они деструктируют углеводороды с длиной цепи С12, однако в строго определенном диапазоне рН (6,5-7,5), солености, температуры (10-35оС).

Российские ученые разработали такие препараты, как “Деворойл”, “Лестан”, “Нафтокс”, “Родотрин”, “Экойл”, “Псевдомин” и др..

В состав биопрепарата “Деворойл” (Институт микробиологии предприятие “Биотехинвест”) входит консорциум микроорганизмов (в том числе дрожжи рода Candida), растущих на углеводородах различных классов и их производных. Титр живых клеток составляет не менее 108. Они устойчивых к повышенной солености (до 150 г/л NaCl), к резким колебаниям температуры (от -5 до +40°С), с активностью в широком диапазоне рН (от 4,5 до 9,5), а также добавок, активизирующих процесс биодеструкции нефти, при интенсивности загрязнения почвы нефтью более 5 %. Высокая эффективность применения «Деворойла», по данным разработчиков, определяется тем, что в состав препарата входят лиофильные и гидрофильные микроорганизмы: бактерии, окисляющие нефтяные алканы и ароматические соединения, в частности фенол, крезол и пирокатехин; дрожжи, характеризующиеся высокой нефтеокисляющей активностью и способные выделять в среду аминокислоты, витамины и поверхностно-активные вещества. Выгодным отличием этого препарата от ряда других является его способность работать и на границе контакта с углеводородами, и непосредственно в толще нефтяного слоя. Используемые другими представителями почвенного биоценоза продукты жизнедеятельности бактерий и сами клетки отмирающих бактерий легко усваиваются сапрофитной микрофлорой биоценоза [11].

Доза внесения препарата составляет 10 л на 1 м2 загрязненной почвы. Нанесение суспензии осуществляют путем дождевания с использованием специальных агрегатов. Спустя 2-3 недели после обработки препаратом проводят минеральную подкормку загрязненной почвы раствором диаммофоса и аммиачной селитры [11].

Торфяной препарат “Псевдомин” был разработан на основе штамма Pseudomonas putida 91-96,обладающего способностью использовать низкомолекулярные алканы, что позволило его применять на почвах загрязненных нефтью и нефтепродуктами. “Псевдомина” почти полностью трансформирует нефтепродукт (94,5-99,8%).

Основу препарата “Олеоворин” составляет штамм микроорганизмов Acinetobacter oleovorum, являющихся аэробами, выделенными из природных биоценозов. Штамм непатогенен, нетоксичен. Имеющиеся материалы по исследованию окислительной активности препарата по отношению к углеводородам нефти свидетельствуют о его достаточно высокой эффективности. Степень очистки за 2...3 месяца составляет 75...80 % .

Бактериальный биопрепарат “Родотрин” содержит активный штамм-деструктор Rhodococcus erythropolis. Данный препарат прошел испытания в условиях Татарстана и Крайнего Севера. Через 3 месяца после обработки была достигнута высокая степень очистки почвы от нефти и нефтепродуктов.

В настоящее время возможны два подхода к очистке от нефтезагрязнений: на месте и в биореакторах и биомодулях. В первом случае для биоразложения строят полигон площадью несколько гектаров, организуют аэрацию, периодически вносят минеральные удобрения и перепахивают грунт, во втором -- биообезвреживание проводят в специальных реакторах с подогревом, куда перевозят замазученные почвогрунты, осадки и нефтешламы. Процесс разложения нефтепродуктов бактериальными препаратами -- медленный: в условиях полигона -- три летних месяца, в реакторах -- 7 и более дней. Степень очистки грунта от нефтепродуктов -- 80...90 %.

Для условий России, биообезвреживание грунтов открытым способом малоэффективно, и очистить грунт до норматива за летний период на широте выше положения г. Москвы не удается. Для низких средних температур разрабатываются закрытые биореакторы изотермического типа. Такие реакторы могут работать круглогодично за счет поддержания оптимальных температурных условий, необходимых для размножения микроорганизмов и биоразложения нефтепродуктов.

Конструктивно биореакторы представляют собой камеру, куда подается загрязненный нефтепродуктами грунт и внутри которой осуществляется перемешивание грунта и периодическая дозированная подача воды, удобрений и микрофлоры. Перед загрузкой в биореактор грунт измельчается с помощью культиватора, так как чем меньше размер частиц грунта, тем выше диффузия экотоксикантов к микроорганизмам.

Использование микробиологических препаратов часто рассматривают как альтернативу агротехнической биорекультивации. Существуют ситуации, когда использование специальных микробиологических препаратов просто необходимо. В частности, это оправдано для районов с непродолжительным теплым периодом, где внесением интродуцента можно искусственно усилить процессы биодеструкции нефти в почве.

При благоприятных условиях среды (оптимальная температура, соленость, рН, достаточная степень аэрации, обеспеченность элементами минерального питания) удачно подобранная культура или смесь штаммов способны за короткое время практически полностью утилизировать десятки тонн нефтяных углеводородов, трансформируя их в органическое вещество собственной биомассы, углекислый газ и безвредные для окружающей среды продукты.

2. Практическая часть

В 1994 г. произошла Усинская катастрофа - серия прорывов на нефтепроводе Харьяга - Усинск, вызванная его изношенностью. Тогда вылилось около 100 тыс. тонн нефти, что позволило считать эту аварию самым крупным разливом нефти на суше. В пяти поселках была объявлена чрезвычайная экологическая ситуация. В месте катастрофы почти полностью уничтожена фауна и флора. Многочисленные притоки рек, озера отравлены. Тонны нефти, попавшей в многочисленные притоки Печоры, на много лет поставили под удар жизнь и здоровье людей, населяющих не только эти места, но и прилегающие районы. Особую тревогу вызвала возможность попадания нефти в Баренцево море. Негативные экологические последствия могли затронуть Канаду, США и ряд стран Северной Европы.

Общая площадь загрязненных и нарушенных земель в зоне аварии 1994 г. составила 270,4 га земель, из них 115,79 га были загрязнены аварийной нефтью. Возникла необходимость принятия срочных мер по обеспечению локализации, ликвидации разливов нефти и восстановлению земель.

2.1 Характеристика условий района исследований

Усинский район Республики Коми характеризуется сложными экологическими условиями, обусловленными расположением его в северной части Республики Коми, в подзоне северной тайги и лесотундре. Климат территории относится к умеренно континентальному типу. Среднегодовая температура воздуха составляет -3,2 оС. Морозная погода со среднесуточными температурами ниже -5оС устанавливается в третьей декаде октября и длится 180 дней (до второй декады апреля).

Наиболее холодный месяц - январь, его среднемесячная температура составляет -18,1оС. В течении зимы преобладают восточные, юго-восточные и южные ветры, весной и летом - западные и северо-западные.

Снежный покров устанавливается в среднем с третьей декады октября и сохраняется до второй декады мая, средняя высота покрова - 48 см. Переход среднесуточных температур воздуха через 0оС обычно наблюдается в первой декаде мая. Длительность безморозного периода - 90 - 120 дней.

Период с температурами выше 0оС длится 150 дней, со среднесуточной температурой выше +5оС - 110 дней. Массовое возобновление вегетации начинается в первой декаде июня, в этот период нередки возвраты холодов. Вторжение арктического воздуха обуславливают частые и резкие перепады температур. Лето прохладное, длится около 70 дней. Сумма активных температур воздуха составляет 871оС. Устойчивого перехода через +15оС обычно не бывает. Самый теплый месяц - июль, среднемесячная температура воздуха +13,8оС.

За год в среднем выпадает 474 мм осадков, из них за вегетационный период (июль - август) - 159 мм. Коэффициент увлажнения в течении вегетационного периода составляет 0,6. Максимальное количество осадков приходится на период с июня по октябрь.

По геоботаническому районированию Ю.П. Юдина, в Усинском районе представлены 4 геоботанических округа в подзонах лестундры и крайнесеверной тайги. Лесотундра занимает северную часть района до среднего течения р. Колвы и представляет собой южную окраину Большеземельской тундры. Первое место по площади занимают сообщества бугристых, верховых сфагновых, осоковых, травяно-кустарничково-мохово-лишайниковых болот. Второе место (до 25%) занимают тундровые ивняково-мелкоерниковые группировки с разреженным ярусом из низкорослых кустарников. Реже встречаются мохово-лишайниковые и лишайниковые.

Разреженные еловые, березовые, елово-березовые и лиственничные леса занимают до 20% от общей площади, наиболее часто формируются в долинах рек и склонах холмов.

Согласно почвенно-географическому районированию, основная часть территории Усинского района относится к Печоро-Усинскому округу болотно-подзолистых, глееподзолистых, глееподзолистых, тундрово-болотных и болотных торфяных почв. Почвообразующие породы представлены мореными суглинками, местами перекрытыми маломощным чехлом флювиогляциальных супесей и песков, а также слоистыми песчаными и песчано-суглинистыми водно-ледниковыми, озерно-аллювиальными и аллювиальными морскими отложениями.

В почвенном покрове Усинского района преобладают болотно-подзолистые и болотные почвы [5].

2.2 Основные этапы рекультивации земель

Очистка земли, загрязненной нефтью, проводилась в Республике Коми в районе г. Усинск. Для примера возьмем площадь загрязненного участка 11 га и слой почвы загрязненный нефтью 10 см. Уровень загрязнения от 150 до 200 г нефти на кг почвы. Применялась технология восстановления с использованием биопрепарата «Деворойл». Учитывая суровые климатические условия данной территории, считаю что данный препарат является наиболее подходящим.

Рекультивация включает в себя следующие последовательные операции:

рыхление поверхности почвы с целью разрушения нефтяной корки и увеличения аэрации загрязненного горизонта;

внесение комплексных минеральных удобрений, содержащих наиболее сбалансированное сочетание азота, фосфора и калия;

внесение биологического препарата;

проведение фиторемидиации на наиболее загрязненных территориях.

На первом этапе также расчищают участок от усыхающего и мертвого древостоя, завалов из срубленной ранее и сваленной в кучи древесины, строительного и бытового мусора и обваловывают со стороны возможного повторного загрязнения нефтью и минерализованными водами, при условии, если она не была сделана в ходе ликвидации аварии. Не допускается выжигание и засыпание нефтяных пятен песком, позднее на месте аварии проводится экологическая оценка.

Внесение азотных и фосфорных минеральных удобрений весьма эффективно для стимулирования биоразложения углеводородов нефти, включая такие трудноразлагаемые соединения, как изопреноиды типа фитана и пристана. Правда, в наибольшей степени, внесение минеральных удобрений стимулирует разложение наиболее легко поддающихся разложению углеводородов. При этом следует отметить, что для достижения эффективности внесения минерального удобрения на кислых почвах, корректировка pH внесением извести обязательна [2]. Учитывая, что кислотность преобладающих почв в Усинске примерно 4,2, то проведение известкования обязательно.

Необходимое количество питательных веществ рассчитывается по следующим формулам (1,2,3).

Определение общего количества загрязнителя, Q

Q=СхМ (1)

где С - концентрация загрязнителя;

М - масса загрязненной почвы, грунта.

150 кг/т*11000 т = 1650000 кг = 1650 т

200 кг/т*11000 т = 2200000 кг = 2200 т

Количество необходимого азота, N

N= (2)

где N0-начальная концентрация азота в почве, грунте.

Количество необходимого фосфора, P

(3)

где P0-начальная концентрация фосфора в почве, грунте [2].

Вносить удобрения будем вносить поверхностно, так как оно достаточно эффективно на периодически заливаемых и переувлажненных торфяных почвах, а также в случаях, если предусматривается искусственное орошение. Необходимая доза удобрений 30 кг/га.

При первом внесении предпочтение отдается удобным в применении комплексным удобрениям, содержащим азот, фосфор и калий в доступных для быстрого усвоения микроорганизмами формах и с минимальным количеством нитратного азота. Рекомендуются нитроаммофоска, карбаммофоска, фоскамид, нитроаммофос в смеси с калием хлористым. Если в комплексе удобрений соотношение N:P:K иное, в этом случае производится корректировка добавлением одного из видов удобрений.

Первое внесение удобрений будем производить через 2-3 недели после внесения биологического препарата «Деворойл». На загрязненную почву наносят рабочую суспензию препарата (готовят непосредственно перед использованием) путем дождевания или распыления с помощью любых предназначенных для этого машин и агрегатов (при температуре почвы +5  С +45°С) [11].

Эффективность обработки определяется двумя способами: анализом почв и визуально. Исходный почвенный образец анализируется на содержание нефти и нефтепродуктов и на присутствие нефтеокисляющей микрофлоры. Спустя 15 дней после обработки биопрепаратом проводится повторный анализ почвенных образцов. Снижение содержания нефтепродуктов и увеличение концентрации нефтеокисляющих микроорганизмов в исследуемом образце говорят о степени эффективности биопрепарата. Дальнейшие обработки приводят к снижению содержания нефтепродуктов, увеличивая концентрацию микрофлоры.

Визуальным способом это видно по изменению окраски обрабатываемой поверхности нефтезагрязненного участка: от черного цвета к буро-коричневому - коричневому - серому [3].

По необходимости проводим обработку биологическим препаратом еще несколько раз. При этом вносим минеральные и органические удобрения одновременно с боронованием и фрезерованием. Так поддерживается благоприятный микроклимат для бактерий.

Если участок не удастся очистить, то он остается для последующей обработки.

Возможно использование фиторемидиации загрязненного участка. Порядок подготовки участка к посеву определяется его размерами, конфигурацией и крутизной склона. Планировка производится бульдозером. После планировки создаются условия, достаточные для предпосевной подготовки почвы и проведения посевов. В этих случаях наиболее приемлемым является гидропосев, который предусматривает подбор таких обязательных компонентов, как удобрения, мульчирующие и стабилизирующие вещества, что позволяет получить травостой высоких противоэрозионных качеств в сезон посева без предварительного нанесения плодородного слоя. Посев может выполняться и сеялками различных модификаций для посева трав. Посев производится рано весной, летом или осенью под зиму [2].

Большое значение в технологии придается подбору сидеральных культур, биоаэрантов, смесей многолетних трав, подготовке семенного материала, проведению механической обработки почвы, так как данные мероприятия, по результатам опытов большинства регионов, способствуют лучшему наращиванию биомассы растений в 1,2-1,4 раза и разложению нефти и нефтепродуктов в 1,4-1,6 раза.

Для указанной зоны рекомендуются повышенные дозы органических 50 - 60 т/га и минеральных удобрений 60 - 80 кг/га (азота, фосфора и калия).

При посеве на рекультивируемых участках и особенно на склонах с учетом смыва и неблагоприятных условий для прорастания норма высева семян должна быть повышена на 20%.

Посев сеялкой производится вдоль участка, начиная с края или середины. Первый проход для соблюдения прямолинейности рядков следует осуществлять по провешенной линии. В качестве мульчирующего и стабилизирующего материала могут использоваться отходы целлюлозно-бумажного производства: скоп и шламовая масса.

2.3 Экономическая оценка результатов

Научные эксперименты апробации технологии рекультивации земель на основе аборигенных штаммов проводятся уже давно и положительные результаты получены во всех опытах. Процент биодеградации углеводородов нефти составил от 58 до 90 %. Установлено, что на скорость деструкции нефти и нефтепродуктов влияют уровень и давность нефтяного загрязнения, но технология эффективна на различных типах почв, в разных климатических условиях и при разном уровне нефтяного загрязнения. Количество нефтепродуктов при высокой степени замазученности (280 г/кг) за один вегетационный период снижается в 4,7 раза (до 60 г/кг), а при низком уровне (120 г/кг) - в 10 раз (до 12 г/кг).

Интенсивность деструкции нефтяных соединений достигается за счет внесения больших доз биопрепарата на основе аборигенных нефтеокисляющих микроорганизмов.

На одну тонну нефти вносится около 1 кг бактериального порошка. При степени загрязнения почвы от 150 г/кг до 200 г/кг необходимое количество препарата «Деворойл» составляет от 1650 кг до 2200 кг.

Экономическая эффективность работы за год можно проследить по затратам на покупку порошока. Порошковые препараты резко увеличивают стоимость рекультивационных работ. Обработке подверглись 11 га загрязнённой поверхности почвы. Стоимость рекультивационных работ биопрепаратом на основе порошка составляет:

1650 кг*9000 руб/кг = 14850000 руб (затраты па приобретение препарата «Деворойл» при загрязнении почвы 150 г/кг)

2200 кг*9000 руб/кг = 19800000 руб (затраты на приобретение препарата «Деворойл» при загрязнении почвы 200 г/кг).

Из расчетов видно что процесс рекультивации требует больших затрат.

Выводы

Нефть - является сложным органическим веществом. Нефти разных месторождений неоднородны по своему составу. Выделяют 4 типа нефтей: парафиновые, парафинонафтеновые, циклоалкановые и нафтено-ароматические;

Нефть оказывает влияние на развитие почвенной биоты и ее биохимическую активность. Реакция почвенных микроорганизмов зависит от концентрации и индивидуальных особенностей микроорганизмов, а также от состава нефти. Незначительное загрязнение нефтью вызывает снижение количества микроорганизмов. Нефть подавляет дыхательную активность и микробное самоочищение, изменяет соотношение между отдельными группами естественных микроорганизмов, угнетает процессы азотфиксации, нитрификации, разрушения целлюлозы, приводит к накапливанию трудноокисляемых продуктов;

Процесс рекультивации делится на 3 этапа: подготовительный, технологический, биологический;

Рекультивация в Усинском районе проводится с использованием бактериального препарата «Деворойл», так как он наиболее хорошо подходит для природно-климатических условий района. При необходимости возможно использование фиторемидиации.

Затраты на реабилитацию данной территории составляют 14850000 руб (при загрязнении почвы 150 г/кг) и 19800000 руб (при загрязнении почвы 200 г/кг).

Заключение

Загрязнение почв нефтью и нефтепродуктами - одна из сложных и многоплановых проблем экологии и охраны окружающей среды. В настоящее время успешно развиваются технологии биоремедиации нефтезагрязненных территорий. При этом решение проблемы достигается за счет стимуляции микробных ценозов путем внесения удобрений, микроорганизмов, которые способны наиболее эффективно утилизировать данный загрязнитель или путем внесения различных биопрепаратов.

Единственным реальным в настоящее время способом борьбы с последствиями разлива нефти и нефтепродуктов является комплекс работ, включающий механическое или физико-химическое удаление разлитых нефтепродуктов с последующей очисткой остающейся в почве нефти биологическими методами при помощи биодеструкции нефтеокисляющими микроорганизмами.

В то же время существующие в настоящее время в России препараты оказываются недостаточно эффективными в различных экстремальных почвенно-климатических условиях различных регионов России, в связи с чем для ликвидации масштабных последствий разливов нефти в настоящее время необходим активный поиск и выделение аборигенных штаммов и разработка новых препаратов [2].

Однако необходимо отметить, что природные аборигенные микроорганизмы обладают ограниченной нефтеокисляющей активностью, несмотря на более высокую устойчивость к воздействию факторов внешней среды. Поэтому возможным перспективным решением является разработка новых, не существующих в природе видов микроорганизмов. Эти новые виды, обладающие как минимум на порядок более высокой нефтеокисляющей активностью, должны создаваться обязательно с искусственным ограничением срока жизни с целью предотвращения биогенной катастрофы.

Разработаны и активно внедряются большое количество коммерческих микробиологических препаратов иностранного и отечественного производства, таких как «Дестройл», «Путидойл», «Деворойл» и др. Однако в природных условиях биодеградация протекает под воздействием всего комплекса почвенной биоты.

Проблема нефтяного загрязнения почв в настоящее время в нашей стране практически не решается. Работы по очистке нефтяных загрязнений с использованием микроорганизмов не координируются, их научный и технологический уровень невысокий. Таки образом, проблема загрязнения нефтью и нефтепродуктами почв Российской Федерации стоит в настоящее время как никогда остро и для поиска путей разрешения всех ее аспектов необходима координируемая концентрация усилий всех заинтересованных правительственных, научных и производственных организаций.

Список литературы

Гаврилов В. П. Чёрное золото планеты. -- М.: Недра, 1990г;

Голованов А.И., Зимин Ф.М., Сметанин В.И.Рекультивация нарушенных земель/Под ред. А.И. Голованова. - М.: КолосС, 2009. - 325 с.

Другов Ю.С., Родин А.А. Экологические анализы при разливах нефти и нефтепродуктов. - СПб., 2000 - 250 с.

Емцев В.Т. Микробиология: учебник для вузов/ В.Т. Емцев, Е.Н. Мишустин.- 5е изд., перераб. и доп.- М.: Дрофа, 2005 - 445, [3] c.: ил.

Посттехногенные экосистемы севера. - СПб.: Наука, 2002. - 159 с.

.Куликова И.Ю. Астраханский государственный технический университет, Биодеградация нефтяных загрязнений. Оценка активности штамма - Экология и промышленность России, декабрь 2008 г.

Микроорганизмы и охрана почв/Под ред. Д. Г. Звягинцева.- М.: Издательство МГУ, 1989 г.

Почвоведение / И.С. Кауричев, Н. П. Панов и др.; Под ред. И.С. Кауричева.- 4е изд., перераб. и доп. - М.: Агропромиздат, 1989. - 719с.: ил. - (учебники и учеб. пособия для студентов высш. учеб. заведений).

Химия: пособие для школьников старших классов и поступающих в вузы / О. С. Габриелян, И. Г. Остроумов. - 2-е изд., стереотип. - М.: Дрофа. 2006. - 703с.

Экологическая биотехнология в нефтегазодобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности/ Г. Г. Ягофарова - Уфа, 2001.

Размещено на Allbest.ru