CC BY
22ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ АЛЬТЕРНАТИВНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ, ЭКОЛОГИЯ МЕГАПОЛИСОВ, МАЛЫХ ГОРОДОВ, ДЕРЕВЕНЬ
ECOLOGICAL ASPECTS OF ALYERNATIVE ENERGY AND ECOLOGY OF MEGAPOLISES, CITIES AND VILLAGES
БИОРЕМЕДИАЦИЯ БУРОВОГО ШЛАМА В ПРОЦЕССЕ
ХИМИЧЕСКОМ ФИКСАЦИИ УДК 576.66:[620.193.8 + 504.054] Л. Э. Гасымлы, Н. А. Ибадов*, Ф. К. Касумов**, Н. М. Исмаилов**
Бакинский государственный университет ул. 3. Халилова 23, Баку, AZ-1073/1, Азербайджан E-mail: madhuryL@yandex.ru
* Институт радиационных проблем НАН Азербайджана ул. Г. Джавида, 31а, Баку, AZ-1143, Азербайджан E-mail: navai_ibadov@yahoo.com
** Компания «Азэколаб» ул. Г. Джавида, 31а, Баку, AZ-1143, Азербайджан E-mail: azecolab@azecolab.com
Сведения об авторе: канд. хим. наук, главный науч. сотрудник Института радиационных проблем HAH Азербайджана.
Образование: физико-химический факультет Московского химико-технологического института им. Д. И. Менделеева (1990 г.).
Область научных интересов: радиационная химия, физическая химия, радиационная экология, экология, хроматография, масс-спектромет-рия.
Публикации: около 30 научных работ.
Ибадов
Наваи Аюб оглы Сведения об авторе: канд. физ.-мат. наук, про-
ект-менеджер компании «Азеколаб».
Образование: специальный факультет физики Московского инженерно-физического института (1990 г.).
Область научных интересов: физика твердых тел, утилизация. Публикации: 10 научных работ.
Л
Касумов Физули Касум оглу
Исмаилов Нариман Мамед оглу
Сведения об авторе: доктор биол. наук, руководитель отдела почвенной микробиологии Института микробиологии НАН Азербайджана.
Образование: агрономический факультет Института сельского хозяйства (г. Гянджа, 1962 г.), химический факультет Азербайджанского государственного университета (1969 г.).
Область научных интересов: нефтяная экология, биотехнология окружающей среды, биотехнология нефтедобычи. Впервые применил следующие микробиологические методы: метод определения окислительной активности в микробных суспензиях (а. с. СССР № 1035064); метод повышения нефтеотдачи (а. с. СССР № 253200, пат. СССР № 1253200, 1991 г.); метод рекультивации нефтезагрязненных почв (а. с. СССР № 1158258).
Публикации: 4 патента и авторских свидетельства, более 120 научных работ.
Статья поступила в редакцию 11.03.2005. The artisle has entered in publishing office 11.03.2005.
А
Сведения об авторе: магистр биол. факультета Бакинского государственного университета.
Образование: биологический факультет Бакинского государственного университета (2005 г.).
Область научных интересов: биотехнология окружающей среды, очистка загрязненных природных субстратов, ферментативная активность микроорганизмов.
Публикации: 2 научные работы.
Гасымлы Лейла Эхтибар гызы
Bioremediation of drill cuttings including drilling fluids on a synthetic basis is the actual ecological problem. The purpose of research is a comparative assessment of bioremediation processes of drill cuttings, previously fixed by quicklime and without fixing. It was determinated, that bioremediation process proceeded more intensively at preliminary processing of drill cuttings by quicklime than without processing. The processing by quicklime improves activity of soil microorganisms using alpha-olefin, as a source of a carbon that in turn favorably influences on carbohydrates degradation in drill cuttings.
Введение
По своему объему буровые растворы и буровые шламы являются самыми крупными отходами, образующимися во время разведки и разработки морских нефтяных и газовых месторождений.
Беспокойство по поводу выброса бурового раствора и бурового шлама вызвано их потенциальным влиянием на биологические процессы, биоразнообразие. Как правило, буровой раствор — сложная многокомпонентная система, регулирование свойств которой осуществляется введением различных материалов и химических реагентов.
Выброс растворов, содержащих минеральную нефть и дизельное топливо, был запрещен во многих странах мира из-за их токсичности и продолжительности воздействия. В последнее время разработаны новые синтетические буровые растворы, состоящие из альфа-олефинов и сложных эфиров, обладающие многими положительными качествами, присущими растворам на нефтяной (углеводородной) основе, но с меньшими токсичностью и продолжительностью воздействия на окружающую среду.
В Азербайджане при бурении нефтяных и газовых скважин на Каспийском море также используются буровые растворы на синтетической основе. В процессе бурения образуются большие объемы буровых шламов. Их сброс в Каспийское море запрещен, они должны вывозиться и утилизироваться на суше. Буровой шлам, представляющий собой сложную смесь отработанного бурового раствора и выбуренной породы, должен подвергаться очистке до уровня, не представляющего опасности для окружающей среды. В этой связи актуален вопрос разработки методов их утилизации.
Имеется много различных способов утилизации бурового шлама, один из них — фиксация с помощью извести.
Негашеная известь (СаО) является одним из давно используемых химикатов [1]. Известь и его производные используются при обработке вредных отходов [2-4].
Биотехнологические методы, в основе которых лежит способность различных групп микроорганизмов разлагать нефтяные углеводороды, в основном используются в настоящее время для биоремедиации нефтезагрязненных почв [5-7]. Однако в отличие от технологии фиксации процессы биоремедиации способствуют разложению опасных для экосистем нефтяных углеводородов и с точки зрения защиты окружающей среды в долговременном масштабе более предпочтительны.
Вместе с тем необходимо отметить, что в научной литературе отсутствуют сведения о воздействии фиксации нефтезагрязненных субстратов на процессы деградации органических соединений.
Цель работы состояла в сравнительной оценке процессов биоремедиации бурового шлама без фиксации известью и с фиксацией известью. Для этого изучалась способность микроорганизмов разлагать (окислять, деградировать, модифицировать и т. д.) органические соединения различной структуры.
Материалы и методы исследований
Используемые методы обработки бурового шлама. В лабораторных условиях проводили модельный опыт по исследованию способности почвенных микроорганизмов разлагать органические соединения бурового шлама при одновременном проведении химической фиксации негашеной
известью. Использовали буровой шлам, образующийся при бурении нефтяных скважин на море на месторождении Чираг и содержащий остаточное количество синтетического бурового раствора. Синтетический буровой раствор, являющийся объектом данной работы, состоит из линейного альфа-олефина и комплекса органических и неорганических соединений (табл. 1). Основным компонентом бурового раствора в шламе являлись альфа-олефины С10-С16.
Таблица 1
Состав бурового раствора
Опыт ставили в трех вариантах:
1. Буровой шлам подвергали химической фиксации с помощью негашеной извести СаО (10 % вес.). Полученную смесь тщательно перемешивали для получения гомогенной среды (методы стабилизации и полученные результаты будут опубликованы отдельно).
2. Буровой шлам не подвергался химической фиксации.
3. Буровой шлам не обрабатывали почвой.
В вариантах 1 и 2 к буровому шламу добавляли почву в соотношении 3:1 по объему, которая служила источником углеводородокисляю-щих микроорганизмов. Первоначально сравнивали образцы почвы, отобранные с различных территорий Абшерона и парка Национальной Академии наук (НАН) Азербайджана. Решено использовать пробы, взятые на территории парка НАН Азербайджана, содержащие больше неф-теокисляющих микроорганизмов.
Проведение эксперимента. С пяти точек на территории парка отбирали пробы почв, из них делали общую пробу и подвергали гомогенизации, затем смешивали с буровым шламом в соотношении 1:3 и помещали в 3-литровые лабораторные сосуды-эксикаторы (по 3 сосуда на каждый опыт). Продолжительность опыта 7 месяцев. В эксикаторе создавали оптимальные условия для жизнедеятельности углеводородокисляющих микроорганизмов: перемешивали два раза в неделю для аэрации, поддерживали влажность на уровне 50-60 %. В среду вносили элементы минерального питания в виде водного раствора нитрофоски, содержащего азот, фосфор, калий (NPK). В качестве контрольного использовали необра-
ботанный буровой шлам. Все сосуды содержались в одинаковых условиях. Периодически отбирали пробы и проводили анализ на общее содержание углеводородов и гетеротрофных и нефтеокисляю-щих микроорганизмов.
Проведение лабораторных анализов. Содер- * жание микроорганизмов, способных использо- <с вать углеводороды нефти в качестве единствен- * ного источника углерода и энергии, определя- 1 ли на элективной минеральной среде Раймонда g методом высева почвенных суспензий на твер- -§
си
дую среду [8]. Во всех опытах для культивиро- ^ вания использовали среду следующего состава: | (NH4)2SO4 — 2,0 г/л, KH2PO4 — 2,0 г/л, ^ Na2HPO4 — 3,0 г/л, MgSO4.7H2O — 0,2 г/л, § FeSO4.7H2O — 0,05 г/л, CaCl2.6H2O — 0,01 г/л, ® MnSO4.H2O — 0,002 г/л, водопроводная вода 1 л, дрожжевой экстракт 0,03 %, рН среды 7,0. Источник углерода — гексадекан 1 % об. В качестве контроля использовали среду без внесения углеводорода. Выращивали культуры в термостате при температуре 28-30 °С в течение 5-6 дней.
Выделение и выращивание накопительных культур на альфа-олефине проводили на жидкой минеральной среде в колбах (250 мл) на качалке. Концентрация синтетического углеводорода в среде — 1 %. Интенсивность роста культур определяли нефелометрически, рН — на рН-метре.
Суммарное количество гетеротрофных микроорганизмов определяли методом высева почвенной суспензии на мясо-пептонный агар известными методами [9].
Для определения общего содержания углеводородов (C12-C44) в почве проведена экстракция нефтепродуктов дихлорметаном в Сокслет-аппарате в течение 20 ч на водяной бане при температуре 65 °С, затем дихлорметан заменили на гексан. Далее экстракт концентрировали до 1 мл в аппарате Кудерна - Даниш [10-12]. Если экстракт требует очистки, то используют методику американского Агентства по охране окружающей среды (USEPA 3530) с использованием силикаге-ля марки «Davison 923» с размерами зерен 100- я 200 меш [13]. После этого экстракт переносили ^ на двухмиллилитровый пузырек автоинжектора ^ для автоматического ввода (Autoinjector CP-8410) | в колонку газового хроматографа СР-3800 (GC ¡ CP-3800, VARIAN, USA). ¡
s
1С
Результаты и обсуждение £
i
х
Некоторые показатели физико-химических 3 свойств исходного бурового шлама даны в табл. 2. §
Данные, представленные на рис. 1, свиде- © тельствуют о том, что внесение негашеной извести способствует закреплению углеводородов в частицах извести, существенно снижается степень их выщелачиваемости. Все анализы в контрольном варианте показали устойчивое высокое содержание углеводородов в шламе на протяже-
Состав Содержание, %
Линейный альфа-олефин 40-70
Эмульгаторы 5-10
Четвертичная органоаммонийная соль <2
Сульфат барита <40
Вода 10-40
Таблица 2
Физико-химические свойства бурового шлама
Состав Al As Ba Cd Co Cr Cu Hg Ni Pb Sr Tl Углеводороды Cl2-C44
S « L.
« а £ & = 22276,50 12,50 10025,0 <0,0005 5,62 32,75 24,60 0,08 18,98 4,89 674,0 <0,07 1610
g С
нии всего периода исследований (кривая 1). Как видно, химическая фиксация шлама известью действительно способствует существенному снижению выщелачиваемости углеводородов. Через 75 дней после начала исследований определяемое химическим методом содержание углеводородов в буровом шламе составляло уже 830850 мг/кг, т. е. в среднем в 2 раза меньше.
Содержание общих углеводородов, мг/кг субстрата
Время, дни
Рис. 1. Динамика изменения содержания общих углеводородов в буровом шламе в процессе очистки: 1 — буровой шламбез добавок; 2 — буровой шлам + почва; 3 — буровой шлам + почва + СаО
В процессе очистки содержание остаточных углеводородов в буровом шламе понижается. Надо заметить, что смешивание химически фиксированного СаО бурового шлама с почвой способствует заметному снижению количества определяемых химическими методами углеводородов (кривая 3) по сравнению с вариантом без фиксации (кривая 2). К концу проведения эксперимента остаточное содержание углеводородов в варианте с СаО уменьшилось по сравнению с исходным содержанием в 7,9 раза, а в варианте без СаО — в 3,4 раза.
За весь период исследований в пробах третьего варианта нами не были обнаружены микроорганизмы, способные использовать органические компоненты шлама. Как видно из рис. 2, в субстратах обнаруживалась высокая численность микроорганизмов, что свидетельствует о том, что органические соединения не подавляют функциональную деятельность почвенных микроорганизмов. Вместе с тем, после 35-40 дней после начала работ микроорганизмов в субстра-
Содержание микроорганизмов, млн. клеток/г субстрата
Время, дни
Рис. 2. Количество микроорганизмов в динамике времени: 1 — буровой шлам + почва; 2 — буровой шлам + + почва + СаО
те без извести (кривая 1 ) значительно больше, чем в субстрате с известью (кривая 2). Снижение численности микроорганизмов в первый период после фиксации известью может быть объяснено тем, что физико-химические реакции, связанные с инкапсуляцией углеводородов в мат-риксе шлама, могут снижать доступность органических субстратов в качестве питания для микроорганизмов. Процесс фиксации и гомогенизации субстрата способствует равномерному распределению органических субстратов в мат-риксе и создаются благоприятные физико-химические условия для функциональной деятельности микроорганизмов, повышается их численность. Процесс сопровождается снижением содержания органических субстратов в буровом шламе. В варианте без гомогенизации и фиксации шлама, равномерного распределения углеводородов во всем объеме субстрата не происходит, что отражается на неравномерном распределении субстратов питания для микроорганизмов, процессы биодеградации углеводородов замедляются. Повышение численности микроорганизмов в варианте с обработкой шлама известью коррелирует со снижением содержания в субстрате общих углеводородов.
Как известно, экологическая судьба любого органического соединения — природного или искусственного происхождения — определяется наличием микроорганизмов, разлагающих (окисляющих, деградирующих, модифицирующих) эти соединения. Если есть микроорганизмы, способные использовать указанные соединения в качестве питания, эти соединения не будут накапливаться в окружающей среде. В связи с этим,
следующим этапом нашей работы был поиск и обнаружение в обрабатываемом субстрате микроорганизмов, способных использовать углеводороды в качестве единственного источника углерода и энергии. В результате последовательного скрининга выделена накопительная культура микроорганизмов, активно использующих в качестве единственного источника углерода и энергии линейные альфа-олефины, а также отработанный буровой раствор, состоящий из различных химических ингредиентов (рис. 3). В почве, которая была использована в качестве источника автохтонной микробиоты, имеются
I- 1 г 1- n
10 20 30 40 50
Время, ч
Рис. 3. Динамика основных параметров роста и развития микроорганизмов на альфа-олефинах: □ — оптическая плотность Л; ■ — кислотность среды рН; □ — концентрация бурового раствора С, %
микроорганизмы, способные «поедать» синтетические углеводороды бурового раствора, причем с очень высокой скоростью. Как видно из рис. 3, в процессе выращивания микроорганизмов на минеральной среде, в которую в качестве единственного источника углерода вносили буровой раствор, рост оптической плотности Л коррелирует со снижением содержания в среде общих углеводородов. К концу процесса в среде почти не обнаруживается присутствие органического субстрата в связи с его разложением микроорганизмами. Снижение рН среды также свидетельствует о разложении внесенных альфа-олефи-нов с образованием продуктов разложения кислотного характера.
Выводы
1. Результаты исследований показали, что при предварительной обработке бурового шлама известью процесс биоремедиации субстрата протекает со значительно большей интенсивностью, чем без обработки шлама известью. Это связано с тем, что микроорганизмы способны использовать углеводороды бурового шлама (аль-фа-олефины) в качестве единственного источника углерода и энергии.
2. Гомогенизация шлама при обработке известью способствует активной деятельности почвен-
ных микроорганизмов, использующих альфа-оле-фины в качестве субстратов углеродного питания, что в свою очередь благоприятно воздействует на деградацию, разложение углеводородов в шламе.
3. Биоремедиация бурового шлама с предварительной обработкой известью способствует переводу шлама из категории опасных в неопасные.
Список литературы
1. Wray T. K. Lime. Hazmat World, June, 1991.
2. Boynton R. S. Chemistry and Technology of Lime and Limestone/2nd ed. New York: John Wiley and Sons, 1980.
3. Lewis C. J., Boynton R. J. Acid neutralization with lime for environmental control and manufacturing processes // National Lime Association Bulletin. 1976. P. 216.
4. Such C., Rou C. L. Treatment of wastes from oil spills // Environmental Tech. Lett. 1981. Vol. 2. P. 161-170.
5. Алехин В. Г. Проблемы рекультивации загрязненных нефтью территорий // Сб. науч. тр. Сургутского гос. ун-та. 2001. №8. С. 140-143.
6. Stankevish D. Bioremediation of the oil-contaminated soil and microbial preparation "Pseudom-ine"// Proc. of the IInd Int. Iran and Russia Conf. "Agriculture and Natural Resources". Moscow 1-2 Febr., 2001. Moscow, 2001. P. 118-122.
7. Никитина E. В. Токсиколого-микробиоло-гические аспекты биоремедиации нефтешлама — отхода нефтехимического производства // Ав-тореф. дис. ... канд. биол. наук. Казань, 2003.
8. Назина Т. Н., Розанова E. П., Беляев С. С. Химические и микробиологические методы исследования пластовых жидкостей и кернов нефтяных месторождений. Препринт. Пущино, 1988.
9. Звягинцев Д. Г., Асеева И. В., Бабьева И. П., Мирчинк Т. Г. Методы почвенной микробиологии и биохимии. М.: Изд-во МГУ, 1980.
10. Massachusetts Dep. of Environmental Protection "Method for the determination of Extract-able Petroleum Hydrocarbons". January, 1998.
11. Massachusetts Dep. of Environmental Protection and ABB Environmental Services, Inc., Wakefield, MA "Interium Petroleum Policy: Development of Health-based Alternative to the Total Petroleum Hydrocarbon (TPH) Parameter", August, 1994.
12. USEPA Test Methods for Evaluating Solid Waste (SW-846): Method 3540; Soxlet Extraction; September, 1986.
13. USEPA Test Methods for Evaluating Solid Waste (SW-846): Method 3530; Silica Gel Cleanup; September, 1986.
