Научная статья на тему 'Исследование свойств торфа для решения экологических проблем'

Исследование свойств торфа для решения экологических проблем Текст научной статьи по специальности «Экологические биотехнологии»

CC BY
563
137
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Журнал
Химия растительного сырья
Scopus
ВАК
AGRIS
CAS
RSCI
Ключевые слова
ТОРФ / НЕФТЬ / СОРБЕНТЫ / ЭКОЛОГИЯ

Аннотация научной статьи по экологическим биотехнологиям, автор научной работы — Бурмистрова Татьяна Ивановна, Алексеева Татьяна Петровна, Стахина Лариса Дмитриевна, Середина Валентина Петровна

Статья посвящена исследованию свойств торфа. Приведены результаты по получению и применению продуктов переработки торфа для решения задач практического природопользования. Показана эффективность действия полученных препаратов при ликвидации нефтяных загрязнений.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по экологическим биотехнологиям , автор научной работы — Бурмистрова Татьяна Ивановна, Алексеева Татьяна Петровна, Стахина Лариса Дмитриевна, Середина Валентина Петровна

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Исследование свойств торфа для решения экологических проблем»

Торф и продукты его переработки

УДК 631.461:622.323:504

ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ТОРФА ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ

© Т.И. Бурмистров^ , Т.П. Алексеева1, Л.Д. Стахина2, В.П. Середина3

1 Сибирский НИИ сельского хозяйства и торфа СО Россельхозакадемии, ул. Гагарина, 3, Томск, 634050 (Россия) Е-mail: sibniit@mail.tomsknet.ru 2Институт химии нефти СО РАН, пр. Академический, 3, Томск, 634021 (Россия) E-mail: cancl@ipc.tsc.ru

3Томский государственный университет,пр. Ленина, 36, Томск, 634010 (Россия)

Статья посвящена исследованию свойств торфа. Приведены результаты по получению и применению продуктов переработки торфа для решения задач практического природопользования. Показана эффективность действия полученных препаратов при ликвидации нефтяных загрязнений.

Ключевые слова: торф, нефть, сорбенты, экология.

Введение

Одним из актуальных вопросов природоохранного характера является предотвращение и ликвидация загрязнения природных объектов нефтью и продуктами ее переработки. Ни один другой загрязнитель, как бы опасен он ни был, не может сравниться с нефтью по широте распространения, количеству источников загрязнения, величине нагрузок на все компоненты природной среды при аварийных разливах нефти.

Деструкция нефти в почве - это сложный физико-химический и биохимический процесс, направленность и скорость которого зависят от комплекса прямых и косвенных факторов. К ним относятся климат, свойства и режимы почв, сезонная активность микрофлоры, влажность, концентрация и фракционный состав нефти в почве. Ведущую роль при рекультивации играют биологические факторы. Одним из важных условий биологического очищения почвы от нефти является степень функциональной активности почвенной микрофлоры [1].

Промышленные территории Западно-Сибирского региона характеризуются высокой степенью нефтяного загрязнения на фоне крайне неблагоприятных почвенно-климатических условий.

В последнее время большое внимание уделяется разработке способов биологической рекультивации нефтезагрязненных почв, в основе которых лежит активация процессов микробиологической деструкции нефти в почве [2, 3]. Одним из перспективных решений удаления нефти с водной поверхности является использование сорбционных и биосорбционных технологий, предусматривающих применение специальных нефтепоглощающих материалов [4, 5]. Продукты переработки торфа, используемые для ликвидации последствий нефтяного загрязнения, должны удовлетворять следующим требованиям: высокие эксплуатационные характеристики, достаточно простая технология получения и наличие необходимых сырьевых ресурсов, невысокая стоимость, биосферная совместимость, т.е. применение и утилизация отработанных материалов не должны приводить к повторному загрязнению окружающей среды. Проведенные нами исследования показали, что в достаточной степени универсальностью свойств, отвечающих вышеперечисленным требованиям, обладает торф. Торф вследствие своей структуры и наличия углеводородокисляющей микрофлоры (УОМ) может служить как сорбентом нефтяных углеводородов, так и их деструктором. Численность УОМ в торфах в 4-5 раз превышает аналогичный показатель для почв. Кроме того, микроорганизмы торфа не являются антагонистами почвенных микроорганизмов [6].

* Автор, с которым следует вести переписку.

Экспериментальная часть

В работе исследованы виды торфа, различные по составу, степени разложения, влажности, дисперсности. Анализ общей численности углеводородокисляющих микроорганизмов в нативном торфе и продуктах на его основе осуществляли посевом на агаризованную питательную среду, по минеральному составу соответствующую жидкой среде Мюнца [7]. При подсчете колоний, наряду с общей численностью УОМ, отдельно учитывали бациллы, бактерии, актиномицеты, дрожжи и микроскопические грибы (табл. 1).

Использование торфа для деструкции нефтяных углеводородов требует его активации путем внесения азотно-фосфорных удобрений с последующей инкубацией в мезофильном режиме в течение 3-7 суток. Активированный торф при внесении его в нефтяную среду обеспечивает возрастание общей численности УОМ по сравнению с их численностью в нативном торфе, а также расширение видового разнообразия активных бактериальных культур (табл. 2). Исследованные виды торфа после их активации практически не различаются как по общей численности УОМ, так и по численности активных бактериальных культур (р. Bacillus и Pseudomonas). Поэтому преимущественное использование какого-либо одного из них для создания мелиоранта представляется нецелесообразным. Для активации может быть использован любой торф влажности 55-70% и минеральные добавки, содержащие азот и фосфор [8, 9].

Исследование эффективности торфяного мелиоранта, полученного из низинного древесно-осокового торфа, при рекультивации нефтезагрязненных почв проводили в производственном опыте на территории Нефтеюганского района ХМАО. Для проведения производственного опыта выбраны участки почвы с различным уровнем загрязнения нефтяными углеводородами (табл. 3). В начале опыта, после внесения торфяного мелиоранта и в конце, спустя 3,5 месяца, с почвенного горизонта глубиной 0-20 см были отобраны пробы на анализ. Эффективность торфяного мелиоранта оценивалась степенью деструкции нефтяных углеводородов и динамикой численности УОМ. Количественное определение нефтяных углеводородов проводили двумя методами - весовым и ИК-спектрометрическим.

Результаты микробиологического анализа образцов почвы приведены в таблице 4.

В связи со сложностью состава торфа и зависимости его физико-химических свойств от ряда факторов, с целью обоснования подхода к выбору торфяного сырья для создания нефтесорбентов на его основе проведены исследования по определению сорбционных свойств торфа (табл. 5). Нефтеёмкость определяли весовым методом.

Таблица 1. Численность углеводородокисляющих микроорганизмов в торфе, r х 106 клеток в 1 г воздушно-

сухого вещества

Вид торфа Степень разложения, % Влажность, % Подвижные формы азота Общая числен- ность Активная культура р. Bacillus Актино- мицеты Грибы

NH+ NO3-

Низинный, 30 65 91,5 144,5 2229,4 8,90 0,08 -

осоковый 10 - - 0,1 - - -

Низинный, 25-30 68 33,9 92,8 1232,9 20,00 - 0,44

древесно-

осоковый

Верховой, 5-10 63 68,7 11,8 552,4 - - 2,30

сфагнум-

фускум

Низинный, 20 70 126,7 11,1 628,6 1,03 1,19 0,80

осоково-

гипновый

Таблица 2. Численность углеводородокисляющих микроорганизмов в активированном торфе после его внесения в нефтяную среду, г х 108 клеток в г воздушно-сухого вещества

Вид торфа Общая численность Активная культура р. Pseudomonas Активная культура р. Bacillus Актиномицеты Грибы

Низинный, осоковый 536,0 3,13 32,15 6,92 -

Низинный, древесно-осоковый 385,4 4,31 10,40 0,92 0,003

Верховой, сфагнум-фускум 522,1 5,09 5,41 10,20 0,370

Низинный, осоково-гипновый 561,6 10,52 21,52 1,20 -

Таблица 3. Изменения, произошедшие с нефтью под воздействием торфяного мелиоранта

Вариант Сроки наблюдений Содержание нефти, г/кг Степень очистки, % Углеводородный индекс (К;)

Весовой анализ ИК-спектро- метрический исходный конечный

Контроль начало опыта 120,0 115,25

спустя 3,5 мес. 115,0 110,3 4 0,67 0,7

1 начало опыта 121,35 93,04

спустя 3,5 мес. 45,5 35,56 65 0,67 2,08

2 начало опыта 134,9 143,79

спустя 3,5 мес. 43,75 37,68 74 0,88 1,57

3 начало опыта 172,5 117,87

спустя 3,5 мес. 77,25 61,62 55 0,62 1,64

4 начало опыта 74,34 55,99

спустя 3,5 мес. 8,87 5,97 89 0,8 2,57

П + Ф

Примечание: -----, где П - пристан (изоалкан С17); Ф - фитан (изоалкан С18).

С17 + С18

Таблица 4. Численность УОМ в нефтезагрязненной почве, г х 106 клеток в 1 г воздушно-сухого вещества

Варианты Общая Бациллы Бактерии Дрожжи Кокки

опыта численность абсолютное значение % от общей численности

Исходное состояние

1 14,9 13,9 0,9 6,2 0 0

2 37,9 36,2 1,7 4,5 0,9 0

4 20,7 19,7 0 0 0,9 0

После внесения мелиоранта

1 17,9 15,7 2,1 12 0 0

2 25,7 23,4 2,3 9 0 0

3 210,5 185,1 0 0 25,3 0

4 45,2 37,8 5,4 12 0,1 1,8

Через 3,5 месяца после внесения мелиоранта

1 1019,5 733,6 285,9 28 0 0

2 217,6 161,0 56,6 26 0 0

3 814,5 692,3 122,2 15 0 0

4 18,0 12,6 5,4 13 0 0

Таблица 5. Сорбционные свойства торфа

Вид торфа Степень разложения, % Размер частиц, мм Нефтеемкость, г/г

Сфагнум-фускум 5-10 <0,5 9,8

0,5-3,0 10,2

Пушицево-сфагновый 20 <0,5 5,4

0,5-3,0 6,8

Древесно-осоковый 20-25 <0,5 2,4

0,5-3,0 4,1

Осоково-гипновый 30 0,5-3,0 3,8

Тростниковый 60 0,5-3,0 2,3

40 0,5-3,0 2,8

Обсуждение результатов

Исследование эффективности торфяного мелиоранта при рекультивации нефтезагрязненных почв показало, что во всех рассматриваемых вариантах за время проведения опыта с различной интенсивностью прошла деструкция нефтяных углеводородов (табл. 3). Самая высокая степень очистки отмечена в варианте с исходно низким уровнем нефтяного загрязнения (вар. 4) - 89%, самая низкая (55%) - в варианте с исходно высоким уровнем нефтяного загрязнения (вар. 3). В контрольном же варианте, без использования мелиоранта, степень очистки за 3,5 весенне-летних месяца составила всего 4%. Анализ изменений, произошедших в составе парафино-нафтеновых углеводородов, выделенных из нефтяных образцов рассматриваемых вариантов опыта, позволяет получить дополнительную характеристику эффективности торфяного мелиоранта. С этой целью использован коэффициент К1, характеризующий интенсивность биохимических преобразований нефти. В отличие от контрольного варианта без использования торфяного мелиоранта, где за время проведения опыта коэффициент К1 практически не изменяется и по прежнему остается меньше 1, в вариантах с

использованием мелиоранта он увеличивается в 2-3 раза (табл. 3), что свидетельствует об активной деструкции w-алифатических углеводородов, являющихся наиболее токсичными для почвенной биоты.

Результаты микробиологического анализа показали следующее (табл. 4). Несмотря на то, что после внесения мелиоранта общее количество УОМ изменилось незначительно, отмечено увеличение в составе микробиоценоза доли неспорообразующих бактерий, что свидетельствует о снижении токсичности почвы. Исключение составляет вариант 3, с исходно высоким уровнем нефтяного загрязнения, где УОМ представлена исключительно спорообразующими бактериями и углеводородокисляющими дрожжами - микроорганизмами, способными образовывать покоящиеся формы и поэтому более устойчивыми к неблагоприятным условиям среды обитания. Спустя 3,5 месяца после внесения торфяного мелиоранта во всех вариантах (кроме вар. 4 с исходно низким уровнем загрязнения) наблюдается заметное увеличение численности УОМ. Увеличение в составе УОМ доли неспорообразующих бактерий свидетельствует о снижении степени токсичности почвы и улучшении водно-воздушного режима.

Из исследованных торфов различного видового состава (табл. 5) наибольшей сорбционной способностью по отношению к нефти характеризуется верховой малоразложившийся торф моховой и травяной групп, с губчатой и волокнистой структурой [10]. Величина нефтепоглощения для этих видов торфа изменяется от 6,8 до 10,2 г/г. При переходе к другим видам торфа со средней (25-30%) и высокой (40-60%) степенью разложения, которым присуща мелкозернистая структура, этот показатель уменьшается до 4,1 и 2,3 г/г соответственно.

Выводы

Торф, вследствие своей структуры и наличию углеводородокисляющей микрофлоры (УОМ), может служить как сорбентом нефтяных углеводородов, так и их деструктором. Сорбционная емкость торфа по отношению к нефти зависит от степени разложения и для верховых торфов составляет 8-10, для низинных - 2-4 г нефти /1 г возушно-сухого торфа.

В результате проведенных исследований разработаны препараты для ликвидации нефтяных загрязнений почвенной (мелиорант торфяной) и водной (сорбент торфяной) поверхностей. Действие мелиоранта торфяного характеризуется как полифункциональное.

Для получения торфяного сорбента рекомендуется использовать верховой торф моховой группы низкой степени разложения (5-10%), обладающий высокой пористостью, более развитой клеточной структурой и, соответственно, более высокой сорбционной способностью по отношению к нефтяным углеводородам. Для придания сорбенту гидрофобных свойств его модифицируют путем, например, высушивания при 100-120 °С.

Торфяной сорбент, приготовленный из верхового торфа, обладает следующими характеристиками: сорбционная емкость по отношению к нефти - 8-10 г нефти /г сорбента; время насыщения нефтью сорбента до предельной величины - 5-10 мин; селективность по отношению к нефти в системе нефть - вода - 90-95%; консервация нефти в объеме сорбента, исключающая самопроизвольный ее сток, не ограничена по времени; плавучесть - более 30 суток.

Утилизация сорбента возможна в дорожном строительстве и при изготовлении топливных брикетов.

Список литературы

1. Киреева Н.А. Микробиологические процессы в нефтезагрязненных почвах. М., 1995. 178 с.

2. Голодков А.М., Лазарчик В.Е., Лазарчик В.М., Черкашина Н.Ф. Восстановление плодородия нарушенных почв с помощью биогумуса // Плодородие. 2003. №1. С. 32-36.

3. Голодяев Г.П. Биохимическое окисление остаточных нефтепродуктов в почве // Нефтяное хозяйство. 1984. №3. С. 29-32.

4. Бордунов В.В., Бордунов С.В., Леоненко В.В. Очистка воды от нефти и нефтепродуктов // Экология и промышленность России. 2005. №8. С. 8-10.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

5. Сабгайда М. А., Фенаенов А.И. Новые углеродные сорбенты для очистки воды от нефтепродуктов // Экология и промышленность России. 2005. №12. С. 8-11.

6. Шишов В.А., Шеметов В.Ю., Рябченко В.И., Парфёнов В.П. Охрана окружающей среды в территориальном Западно-Сибирском комплексе // Обзорная информация. Сер.: Борьба с коррозией и защита окружающей среды. М., 1988. Вып. 6. 50 с.

7. Керстен Д.К. Морфологические и культуральные свойства индикаторных микроорганизмов нефтегазовой съемки // Микробиология. 1963. Т. 32. №5. С. 1024-1030.

8. Патент 2137559 РФ. Способ очистки почвы от загрязнения нефтью и нефтепродуктами / Т.П. Алексеева, Н.Н. Терещенко, Т.И. Бурмистрова, В. Д. Перфильева и др. // БИ. 1999. №26.

9. Патент 2238807 РФ. Состав для очистки почвы от нефтяных загрязнений (варианты) / Т.П. Алексеева, Т.И. Бурмистрова, В. Д. Перфильева, А.И. Григорьев, Н.Н. Терещенко // БИ. 2001. №30.

10. Патент 2219134 РФ. Способ очистки водной поверхности от нефтяных загрязнений / Т.И. Алексеева, Т.И. Бурмистрова, В. Д. Перфильева // БИ. 2003. №35.

Поступило в редакцию 1 июля 2008 г.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.