CC BY
43
УДК 504.05:622.323 +504.064.4:606
Л. В. Рудакова, Е. С. Белик ОБОСНОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КАРБОНИЗАТА ИЗБЫТОЧНОГО АКТИВНОГО ИЛА В КАЧЕСТВЕ БИОСОРБЕНТА, ПРИМЕНЯЕМОГО В ТЕХНОЛОГИИ БИОРЕМЕДИАЦИИ НЕФТЕЗАГРЯЗНЕННЫХ ПОЧВ
Ключевые слова: нефть, карбонизат, углеводородокисляющие микроорганизмы, биосорбент.
Определены физико-химические и сорбционные характеристики карбонизата - отхода пиролиза избыточного активного ила. Представлены результаты рентгеноспектрального микроанализа карбонизата с указанием химических элементов. Обоснована возможность использования биосорбента на основе карбонизата в технологии биоремедиации нефтезагрязненных почв.
Keywords: oil, carbonizat, hydrocarbon-oxidizing microorganisms, biosorbent.
Was determined physicochemical and sorption characteristics carbonizate - pyrolysis of waste activated sludge. The results of X-ray spectrum microanalysis carbonizate indicating the chemical elements were submitted. The possibility of using biosorbent based carbonizate technology in bioremediation of oil-contaminated soil was substantiated.
На предприятиях нефтехимического комплекса внедряются системы термического обезвреживания избыточного активного ила, в результате чего образуется значительное количество (до 7-8 % от исходной массы отхода) макропористого материала - карбонизата, размещение которого в окружающей среде в виде отхода нерационально и не решает проблему сокращения объемов отходов, поступающих на полигоны захоронения.
В настоящее время карбонизат избыточного активного ила используют в качестве дополнительного материала для отсыпки дорог, структуратора при биологической ремедиации нефтезагрязненных почв и т.д. В то же время, по своим механическим и физико-химическим свойствам карбонизат может быть использован в качестве носителя микроорганизмов для получения биосорбента. Носители бывают природного (керамзит, силикагель, сапропель, торф и т.д.) или искусственного (полипропилен полиуретан, тефлон и т.д.) происхождения [1]. Большой интерес представляет использование промышленных отходов в качестве носителя для иммобилизации микроорганизмов.
Расширение области использования карбонизата, отхода процесса низкотемпературного пиролиза избыточного активного ила биохимических очистных сооружений
нефтеперерабатывающего предприятия, позволит использовать ресурсный потенциал отхода, получить новые материалы с заданными свойствами, применяемыми в природоохранных технологиях, и минимизировать негативное воздействие отходов на объекты окружающей среды. В частности, рекомендовано использование избыточного активного ила в качестве удобрения [2, 3].
В настоящей работе исследовалась возможность использования карбонизата - отхода пиролиза избыточного активного ила - в качестве биосорбента, применяемого в технологии биоремедиации нефтезагрязненных почв.
Объектом исследования данной работы является биосорбент, полученный в результате низкотемпературного пиролиза избыточного активного ила биохимических очистных сооружений нефтеперерабатывающего предприятия с иммобилизованными культурами
углеводородокисляющих микроорганизмов,
которые обеспечивают биологическое разложение нефти и нефтепродуктов [4].
Носитель, изготовленный на основе отхода, должен отвечать определенным требованиям, характеризующим эффективность применения и целесообразность выбора носителя. Основные физико-химические характеристики, которые необходимо учитывать при выборе носителя, полученного из отходов производства и потребления: размер пор (микропоры, мезопоры, макропоры), сорбционная ёмкость, способность сорбировать молекулы и бактериальные клетки разного размера и массы, насыпная и истинная плотность, прочность сорбента на истирание и дробление, стоимость и самое главное -токсичность материала [1, 4].
Для обоснования возможности
использования карбонизата в качестве носителя для иммобилизации микроорганизмов исследовали его основные физико-химические, сорбционные и токсикологические свойства, определяли удельную поверхность и пористость.
Удельная поверхность карбонизата составила 39,3 ± 0,6 м2/г, суммарный объем пор - 0,6 см3/г (определение проводили с помощью прибора «SorbiPrep»).
В исследованиях [5] было показано, что материал не фитотоксичен, имеет 4 класс опасности. С целью подтверждения имеющихся данных и установления острого токсического действия карбонизата по отношению к другим живым организмам проведена оценка его токсичности методом биотестирования с использованием низших ракообразных дафний Daphnia magna Straus, которые показали, что полученный биосорбент на
основе карбонизата не обладает токсическими свойствами.
Физико-химические свойства карбонизата были сопоставлены с известным углеродным сорбентом - БАУ (уголь активный березовый дробленый). Сравнительная характеристика физико-химических свойств углеродных материалов представлена в табл.1.
Таблица 1 - Физико-химические характеристики углеродных материалов [1, 5]
Показатель Значение показателя
БАУ-А Карбонизат
Основная фракция, мм 1-3,6 5-10
Содержание пироуглерода, % 90-95 40-45
Минеральная часть, % - 55-60
Насыпная плотность, г/дм3 240 385
Механическая прочность на истирание, % 60 50
Удельная поверхность, м2 в 1г 700-800 39,3 ± 0,6
Пористость (объем пор), см3/г, не менее
общая 1,1 0,6
макропоры 0,8 0,544
мезопоры 0,08 0,056
микропоры 0,22 -
Сорбционная емкость, не менее
влагоемкость, см3/г 1,6 0,6
нефтеемкость, г/г 3,45 0,55
маслоемкость, г/г 2,52 0,35
На основании представленных данных, в отличие от БАУ-А, основная фракция карбонизата в 3-5 раз больше, содержание пироуглерода в 2 раза больше, присутствует минеральная составляющая, насыпная плотность выше в 1,6 раз, а механическая прочность отличается незначительно. Емкость карбонизата уступает емкости углеродного сорбента, но достаточна для использования в качестве носителя для иммобилизации микроорганизмов.
По результатам проведенных
экспериментальных исследований установлена возможность использования карбонизата в качестве носителя для иммобилизации микроорганизмов с целью получения биосорбента.
Иммобилизацию проводили методом физической адсорбции в динамических условиях, т.е. пропускали суспензию углеводородокисляющих микроорганизмов через слой носителя. Микроорганизмы, входящие в состав суспензии: Pseudomonas putida, Pseudomonas facilis, Rhodococcus ruber, Rhodococcus fasciens, Mortierella sp., были выделены из нефтезагрязненной почвы и опасного воздействия на людей и окружающую
природную среду не оказывают, патогенетического значения для человека и животных не имеют, фитопатогенами не являются.
На основании ранее проведенных экспериментальных исследований по
биоремедиации нефтезагрязненной почвы было установлено [6], что доза вносимого биосорбента составляет 1-2 тонны на 1 га нефтезагрязненной площади в зависимости от концентрации нефтепродуктов, но не более 50 г/кг.
Так как карбонизат представляет собой отход производства и может содержать в своем составе тяжелые металлы, был изучен элементный состав карбонизата методом рентгеноспектрального микроанализа с использованием Scanning Electron Microscope S-3400N Hitachi с приставкой для рентгеновского энергодисперсионного
микроанализа фирмы «Брукер». Результаты исследования приведены на рис.1.
л H о о
и «
s
о
и
(D Ё К
г 4 е
Энергия, кэВ
Рис. 1 - Фрагмент спектра при рентгеноспектральном микроанализе
На основании полученных данных в карбонизате обнаружены следующие химические элементы: железо - 17 %, кальций - 12,9 %, фосфор - 5,5%, кремний - 3,4 %, алюминий - 2,4 %, остальные элементы присутствуют в количестве менее 2 %. В образце отсутствуют тяжелые металлы, такие как медь, свинец, кадмий, цинк, кобальт. В небольшом количестве присутствуют такие металлы, как хром, никель, титан, марганец; в большом количестве содержится железо.
Соответствие нормативам ПДК
концентраций поступающих в почву химических веществ, в том числе тяжелых металлов, с учетом дозы внесения биосорбента представлено в табл.2.
Расчетами установлено, что при рекомендованной дозе внесения биосорбента концентрация тяжелых металлов в почвах увеличится незначительно и останется в пределах нормативных требований. Так, например, содержание никеля увеличится на 0,035 % и составит 3,5 мг/кг (валовое содержание) при ПДК 4 мг/кг (валовое содержание).
Таким образом, установлено, что карбонизат - отход пиролиза избыточного активного ила - может быть использован в качестве носителя для микроорганизмов с целью получения биосорбента.
Таблица 2 - Соответствие нормативам ПДК концентраций поступающих веществ в почву с учетом дозы внесения биосорбента
Химический элемент ПДК в-ва в почве с учетом фона, мг/кг [7] Количество поступающего вещества в почву с учетом дозы внесения, мг/кг
Сера 160 100
Хром 6 5,8
Никель 4 3,5
Марганец 1500 20
На основании проведенных исследований установлено, что при рекомендованной дозе внесения биосорбента, концентрация металлов в почвах увеличится незначительно и останется в пределах нормативных требований.
Литература
1. Каменщиков Ф.А., Богомольный Е.И. Нефтяные сорбенты, Ижевск: - Москва, - Институт компьютерных исследований, 2003. - 268 с.
2. Е.Э. Нефедьева, М.Н. Белицкая, И.Г. Шайхиев, Вестник Казанского технологического университета, 19, 223-226 (2013).
3. А.Б. Солодкова, Н.А. Собгайда, И.Г. Шайхиев, Вестник Казанского технологического университета, 6, 128-130 (2013).
4. Л.В.Рудакова, Я.И. Вайсман, Е.С. Белик, Нефтяное хозяйство, 9, 113-117 (2013).
5. Я.И. Вайсман, И.С. Глушанкова, М.С. Дьяков, М.Б. Ходяшев, Всероссийский научно-практический журнал «Вода: химия и экология, 3, 14-24 (2011).
6. Е.С. Белик, М.Е. Калашникова, Л.В. Рудакова, Теоретическая и прикладная экология, 1, 22-26 (2013).
7. ГН 2.1.7.2041-06 «Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в почве».
© Л. В. Рудакова - д.т.н., профессор, зав. кафедрой «Охрана окружающей среды» Пермского национального исследовательского политехнического университета, [email protected], Е. С. Белик - ст. преподаватель кафедры ООС того же вуза.
© L. V. Rudakova - d.tech.soc, director of Department of Environmental Protection of Perm National Research Polytechnic University, [email protected], E. S. Belik - senior lecturer of Department of Environmental Protection of the same university.
