БИОЛОГИЧЕСКАЯ РЕКУЛЬТИВАЦИЯ НЕФТЕЗАГРЯЗНЕННЫХ ГРУНТОВ

Ротарь О.В. ¹, Искрижицкая Д. В.², Искрижицкий А. А.³

¹ Кандидат химических наук, доцент, Национальный исследовательский Томский политехнический университет, ² Магистрант, Национальный исследовательский Томский политехнический университет, ³ Главный специалист, Томский научно-исследовательский и проектный институт нефти и газа

БИОЛОГИЧЕСКАЯ РЕКУЛЬТИВАЦИЯ НЕФТЕЗАГРЯЗНЕННЫХ ГРУНТОВ

Аннотация

Исследован механизм проникновения и распределения нефти по горизонтам почвы, проведена идентификация продуктов разложения нефти в почве. Определена эффективность рекультивационных работ с использованием промышленного биопрепарата «Микрозим».

Ключевые слова: нефть, биологический препарат «Микрозим», идентификация

Rotar O.V.¹, Iskizhitskaya D.W. ², Iskrizhitsky A.A. ³

¹ PhD in Chemise associate professor National Research Tomsk Polytechnic University, ² Undergraduate, National Research Tomsk Polytechnic University, ³ Senior Specialist, Tomsk Scientific Research and Design Institute of Oil and Gas

BIOLOGICAL REVEGETATION THE PETROPOLLUTED GROUNDS

Abstract

The purpose of the given work is research of the mechanism of penetration and distribution of oil on horizons of the ground; identification the products of decomposition oil in the ground. Definition of efficiency revegetation works with use of the industrial biological product "Microzim".

Keywords: oil, biological product "Microzim", Identification

Добыча, транспортировка, хранение и переработка нефти и нефтепродуктов очень часто становятся источниками загрязнения окружающей среды. Нефтяное загрязнение отличается от многих других антропогенных воздействий тем, что оно дает не постепенную, а, как правило, «залповую» нагрузку на среду, вызывая быструю ответную реакцию. Рекультивация – это ускорение процесса самоочищения, при котором используются природные резервы экосистемы: климатические, микробиологические, ландшафтно-геохимические. Важную роль играют и состав нефти, наличие сопутствующих солей, начальная концентрация загрязняющих веществ.

С целью увеличения скорости ремедиации почвенных экосистем и, как следствие, уменьшения негативного воздействия ни них применяют различные технологии восстановления нефтезагрязненных почв. Так, технологии классифицируются по категориям in situ и ex situ.

Технологии ex situ используются для обработки загрязненной почвы, предварительно удаленной с поверхности выделенного участка земли. Этот метод позволяет применять сложные приемы обработки, которые могут быть эффективными и быстродействующими, более безопасными для грунтовых вод, животного и растительного мира.

Технологии in situ имеют преимущества вследствие непосредственного применения их на месте загрязнения. В результате снижается риск воздействия загрязняющих веществ на человека и окружающую среду во время извлечения, транспортировки и восстановления загрязненных участков почв, что, в свою очередь, обеспечивает экономию средств. К биологическим методам рекультивации относят сельскохозяйственную обработку почвы, биоремедиацию, фитомелиорацию и естественное разложение токсикантов в почве. Метод биоремедиация основан как на стимулирующем действии аборигенных почвенных микроорганизмов, так и на действии предварительно культивированной биомассы бактерий в виде биологических препаратов.

Наиболее эффективным методом обезвреживания попавших в сточную воду и почву нефтепродуктов являются биотехнологии, которые основаны на окислении нефтепродуктов микроорганизмами, способными использовать нефтепродукты как источник энергии. Традиционные методы рекультивации, такие как землевание, выжигание или сгребание и вывоз загрязненного слоя, в настоящее время устарели и являются неэффективными [1]. При сжигании нефти происходит накопление токсичных и канцерогенных веществ; при землевании – замедление процессов разложения нефти, образование внутрипочвенных потоков нефти и пластовой жидкости, загрязнение грунтовых вод. Таким образом, механические и физические методы не всегда могут обеспечить полное удаление нефти и нефтепродуктов из почвы, а процесс естественного разложения загрязнения в почвах чрезвычайно длителен.

Разложение нефти и нефтепродуктов в почве в естественных условиях – процесс биогеохимический, в котором главное и решающее значение имеет функциональная активность комплекса почвенных микроорганизмов, обеспечивающих полную минерализацию нефти и нефтепродуктов до углекислого газа и воды. Так как углеводородокисляющие микроорганизмы являются постоянными компонентами почвенных биоценозов, естественно возникло стремление использовать их катаболическую активность для восстановления загрязненных нефтью почв.

Биологическая рекультивация - это рекультивация, проводимая после механической очистки земель от основной массы нефти, основанная на интенсификации микробиологической деградации остаточных углеводородов.

Цель данного исследования состоит в изучение механизма проникновения и распределения нефти и продуктов ее разложения в почве, а также определение эффективности очистки загрязненных нефтью земель с использованием биопрепарата «Микрозим».

Биологические препараты представляют собой активную биомассу микроорганизмов, использующих нефтяные углеводороды в качестве источника энергии и трансформирующих их в органическое вещество собственной биомассы. Исследование проводилось на модельных системах, имитирующих почвенное загрязнение разной степени. В задачу исследования входило проведение отбора проб почв для определения остаточного количества нефти и идентификация продуктов деградации.

Необходимым условием эксперимента являлось соблюдение факторов, присущих природным условиям. Рыхление загрязненных почв увеличивает диффузию кислорода в почвенные агрегаты, снижает концентрацию углеводородов и способствует равномерному распределению компонентов нефти и нефтепродуктов в почве.

Идентификацию продуктов деградации определяли методами газо-жидкостной хроматографии, ультрафиолетовой спектроскопии [2].

Основные результаты

Оптимальной температурой для разложения нефти и нефтепродуктов в почве является 20°-37°С. Благоприятный водный режим достигался путем полива. Улучшение водного режима обусловливает улучшение агрохимических свойств почв, в частности влияет на активное движение питательных веществ, микробиологическую деятельность и активность биологических процессов. Установлена большая неоднородность распределения нефтяных компонентов, что зависит от физических и химических свойств конкретных почв, качества и состава разлитой нефти.

Как показали исследования, распределение нефти в почве происходит согласно профилю горизонтов. В зависимости от состава и структуры почвы, ее пористости, водопроницаемости, влагоемкости нефть, как смесь химических соединений, распределяется на различную глубину. Битумозные фракции были зафиксированы на глубине 7 см, смолистые фракции – 12 см, легкие -24 см, водорастворимые соединения были обнаружены на глубине 39 см. Содержание нефти в почве резко снижается в первые месяцы после загрязнения - на 40 - 50%. В дальнейшем это снижение идет очень медленно. Окисление углеводородов до CО₂ и Н₂О происходит по стадиям через образование ряда промежуточных продуктов. Методом газожидкостной хроматографии установлено, что такими продуктами являются кислородные соединения: спирты, органические кислоты, альдегиды.

Кислородсодержащие продукты растворяются в воде, поэтому они легче мигрирую по почвенному профилю и выносятся из зоны окисления.

Смолистые вещества, соединения с атомами серы, азота, полученные в результате трансформации углеводородного сырья, не мигрируют и надолго остаются в почве.

Состав и соотношение продуктов метаболизма зависят от состава исходной нефти и почвенно-климатических условий [2,3,4]. В опыте изучения процессов деструкции углеводородов препаратами нефтеокисляющих микроорганизмов, учитывалось влияние на эти процессы климатических условий района, которые характеризуются суровой и продолжительной зимой, коротким, но порой жарким летом и коротким весенне-осенним периодом. Поэтому для приближения исследуемых условий к реальным условиям использовали климатическую камеру, холодильную установку и естественные условия. Препарат добавлялся к пробам грунта с остаточным содержанием нефтепродуктов 20%. Пробы выдерживались при температуре 18°-20°С в течение 10 дней, а затем помещались в морозильную камеру и при температуре -20°С выдерживались с целью имитации зимних условий 60 суток. Как показали наблюдения, после пребывания препарата в камере эффективность его работы снизилась незначительно (8-11 %). Таким образом, можно сделать вывод о возможности внесения препаратов поздней осенью, которые могут включиться в работу весной при наступлении благоприятных условий для их жизнедеятельности.

Кислая среда отрицательно влияет на ферментативный аппарат клеток, а это может замедлить процессы разложения нефтепродуктов. Предварительно определяли кислотность почвы и корректировали ее путем  внесения в почву расчетное количество извести.

Для стимулирования почвенной микрофлоры на агротехническом этапе рекультивации использовали комплексные минеральные удобрения (нитроаммофоска, нитрофоска) в дозе 100-120 кг азота на 1 га.

В качестве бактериального препарата использовали «Микрозим», который является биологическим деструктором углеводородов нефти нового поколения, и представляет собой концентрированный биопрепарат уникальных штаммов углеводородокисляющих микроорганизмов, комплекса минеральных солей и ферментов. В процессе жизнедеятельности микроорганизмы активно синтезируют собственные ферменты и биологические поверхностно – активные вещества, ускоряющие разложение загрязнителя и облегчающие его микробиологическое усвоение. Происходит активное биохимическое разложение нефти и нефтепродуктов на СО₂, Н₂О и, безвредные для окружающей среды, продукты микробного метаболизма.

По критерию максимального потребления углеводородов эффективность очистки составляет 50% нефти за 14 суток после первой обработки почвы биопрепаратом, до 85% в течение первого месяца и до 98% в течение месяца после повторной обработки. Скорость биологического разложения углеводородов в реальных условиях зависит от регулярности и интенсивности доступа кислорода. Потребление 99% углеводородов в реальных условиях достигается в сроки от 2 месяцев при низких и до 4 месяцев - при высоких концентрациях нефтепродукта. Через 24 часа после внесения препарата в почву достигается уровень микробиологической активности, характеризующийся активным выделением СО_2..

Обработка почвы биопрепаратом значительно активизирует процессы самоочищения почвы, восстанавливает норматив кислородного режима почвы и интенсифицирует активность гидролитических и окислительно-восстановительных ферментов уже в течение первых 10-14 суток (табл.1).

Таблица 1- Эффективность препарата «Микрозим» в пробах с разным уровнем первоначального загрязнения

№ п\п	Уровень загрязнения, %	Время воздействия препарата, сутки
		0	10		20	30	40	50	60
1	Низкий	25		22,5	7,0	4,0	2,5	1,5	0,4
2	Средний	35		16,5	12,4	5,0	3,0	2,6	2,0
3	Высокий	45		31,5	22,3	14,0	10,0	8,3	5,0

На опытных площадках с высоким уровнем загрязнения отмечалось различие в результатах по биодеградации нефти. Проведение только агротехнических мероприятий (фрезеровка, внесение минеральных удобрений) эффективно лишь на участках старых разливов или на объектах с невысоким уровнем нефтяного загрязнения.

Таблица 2 - Эффективность рекультивационных мероприятий на участке с высоким уровнем загрязнения

№ п/п	Рекультивационные мероприятия	Уровень загрязнения, %
		Исходный	1	3	5
1	Агротехнические	40	38,0	33,0	31,0
2	Биологические	40	37,2	24,7	20,3
3	Комплексные	40	21,7	15,4	11,2

Проведение только агротехнических мероприятий дают эффект снижения уровня загрязнения на 15-20 % в течение одного сезона, только препарата «Микрозим» – до 40 %, а комплексная рекультивация (агротехнические мероприятия и использование биопрепарата) способствует очистке почв на 60-80 % в течение одного сезона работ. Эффективность рекультивационных мероприятий представлена в табл. 2.

Таким образом, осуществляется биологический круговорот: расщепление углеводородов, загрязняющих почву, микроорганизмами, то есть их минерализация с последующей гумификацией.