CC BY
51
ПРОБЛЕМЫ ЭКОЛОГИИ
УДК 504.55.054:622
ОСОБЕННОСТИ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СУБСТРАТОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВЕРМИКУЛЬТУРЫ В УСЛОВИЯХ НЕФТЯНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ
© 2010 г. В.В. Смольникова
Северо-Кавказский государственный North Caucasus State
технический университет, г. Ставрополь Technical University, Stavropol
Рассматриваются особенности ликвидации последствий нефтяного загрязнения с применением вер-микультуры и компостированного органического материала. Рассмотрены основные этапы технологии, последовательность применения технологических приемов, требующиеся материалы и механизмы; особенности применения микробиологических препаратов и результаты применения предложенной технологии.
Ключевые слова: биологическая очистка субстратов; нефтяное загрязнение; вермикультура.
Features of liquidation of consequences of oil pollution with application of earthworms and composting an organic material are considered. The basic stages of technology, sequence of application of the processing methods, required materials and mechanisms are considered; features of application of microbiological preparations and results of application of the offered technology.
Keywords: biological clearing of substrata; oil pollution; earthworms.
Бурный рост нефтяной отрасли сопровождается развитием нефтяной транспортной инфраструктуры, состоящей из системы межпромысловых и магистральных трубопроводов, резервуарных парков, нефтеперекачивающих станций. Добыча и транспортировка нефти относится к опасным видам деятельности, способным в случае аварии привести к тяжелым, а иногда и практически необратимым изменениям в окружающей среде [1, 2]. В этой связи проблема загрязнения почв нефтью и нефтепродуктами становится все более актуальной.
Установлено, что разовые и хронические разливы нефти и нефтепродуктов приводят к потере продуктивности земель и деградации ландшафтов. Исследования разливов нефти показали, что полная регенерация биоценозов (микрофлора, микро- и мезофауна, высшая растительность) не достигается даже через 25 лет после аварии [3 - 5].
Токсическое действие нефти на живые организмы хорошо известно и объясняется присутствием ароматических углеводородов, полициклических, гетероа-томных и других соединений. Для ликвидации последствий розливов нефти используются следующие методы ликвидации загрязнения почв: механические (засыпка незагрязненным грунтом, вывоз в отвалы), агротехнические (вспашка, рыхление, посев многолетних трав), микробиологические (обработка препаратами, содержащими нефтеокисляющие бактерии), физико-химические (реагентное обезвреживание).
Степень загрязненности почвы нефтью и нефтепродуктами оценивают по их концентрации. Согласно методике определения ущерба окружающей природной среде при авариях на магистральных нефтепроводах, показатели уровня загрязнения земель нефтью и нефтепродуктами оцениваются: как низкие при концентрации нефти в почве от 1 до 2 г/кг, как средние при концентрации от 2 до 3 г/кг, как высокие при 3 - 5 г/кг, как очень высокие при концентрации сырой нефти больше 5 г/кг [6].
Эффективным методом не только очистки почвы от загрязнения нефтью, но и восстановления ее плодородия и экологических функций, может быть использование вермикультуры [7 - 9]. Дождевые черви способны обеспечить аэрацию, структурированность почвы, распределение органического материала по почвенным горизонтам, присутствие ряда биологически активных веществ, что повышает эффективность работы микроорганизмов. Симбиоз дождевых червей с почвенной микрофлорой улучшает условия обитания всего биоценоза и способствует ускорению биоразложения нефти. При этом было доказано, что выживание почвенных беспозвоночных в субстратах со средним и высоким содержанием нефти без применения специальных технологических приемов невозможно.
В результате проведенных исследований была разработана комплексная биотехнология очистки нефтезагрязненных субстратов с использованием
вермикультуры и компостированного органического материала. Технология имеет несколько модификаций в зависимости от начального уровня загрязнения, содержания органических веществ и плотности субстрата. Предлагаемая технология основана, прежде всего, на использовании аборигенного вида дождевых червей, адаптированного к климатическим условиям и почвам юга России Lumbricidus rubellus L. В результате исследований было определено оптимальное количество дождевых червей для различных субстратов и поправочные коэффициенты, учитывающие естественную гибель беспозвоночных. В качестве кормовой добавки, дополнительного источника микрофлоры и материала, снижающего концентрацию нефти в почве за счет механического разбавления, используется компостированный органический материал. Для компостирования может использоваться листовой опад, ботва сельскохозяйственных культур, лузга подсолнечника, жом подсолнечника обрушенный, плодовый жмых и многие другие отходы послеуборочной переработки сельскохозяйственных культур.
В качестве закваски при компостировании используется молочная сыворотка. Подготовка питательной среды с использованием молочной сыворотки значительно сокращает процент гибели популяции дождевых червей. Внесение молочной сыворотки, содержащей молочнокислую микрофлору, предотвращает процессы гниения органического материала и переводит их в процессы брожения. Использование молочной сыворотки в качестве закваски позволяет подавить развитие плесневых грибов и дрожжей, обильно развивающихся в верхнем слое заквашиваемого органического материала, улучшаются качества компоста как питательной среды для дождевых червей.
Было установлено, что углеводородокисляющая микрофлора количественно и по интенсивности метаболизма доминирует в нефтезагрязненных субстратах и является основным деструктором нефти. При средних уровнях загрязнения субстрата предполагается обработка субстрата бактериальным препаратом природных микроорганизмов, отвечающих за естественное плодородие почв и накопление биогенных элементов. При высоких уровнях загрязнения субстрата необходимо внесение нефтяного сорбента.
Применение комплексных восстановительных ме-
роприятий с использованием дождевых червей наиболее эффективно при:
- температуре среды не ниже + 10 °С и не выше + 40 °С;
- создании оптимальной концентрации кислорода;
- внесении компостированной органической добавки, как основного биогенного элемента;
- добавки речного песка как разрыхлителя почвы;
- обработке биопрепаратом эффективных микроорганизмов как дополнительного фактора, стимулирующего естественные процессы самоочищения почв.
На процессе самоочищения почвы негативно сказывался как недостаток влаги, так и переувлажнение субстрата. При недостатке влаги дождевые черви и микроорганизмы подвергаются высушиванию и погибают или инактивируются, в то время как при ее избытке создаются анаэробные условия, что вызывает гибель червей и аэробной микрофлоры.
Важным этапом технологии является распашка загрязненных почв. Этот традиционный прием воздействия на загрязненные субстраты разрушает воздухонепроницаемый слой углеводородов на поверхности, способствует разрыву пор, заполненных нефтью, и перемешиванию загрязненного субстрата с вносимым органическим материалом.
При реализации комплексной биотехнологии очистки и восстановления нефтезагрязненных субстратов среднего и высокого уровня загрязнения, помимо внесения на загрязненный участок органического материала, разрыхлителя, популяции дождевых червей и увлажнения субстрата до оптимальной влажности, производится обработка микробиологическими препаратами.
Проведению восстановительных работ предшествует обследование состояния загрязненной территории. В ходе обследования необходимо оценить масштабы загрязнения, произвести отбор проб и химический анализ субстрата, определить начальный уровень загрязнения среды углеводородами нефти. На основании полученных данных составляется план-график проведения восстановительных работ, подготавливаются необходимые материалы и технические средства. Последовательность восстановительных мероприятий, необходимые материалы, машины и механизмы требующиеся для их реализации представлены в таблице.
Последовательность обработки и необходимые материалы и механизмы
Наименование работ Требующиеся материалы Требующиеся машины и механизмы
Внесение органического материала с механизированной загрузкой и разбрасыванием Компост из листового опада, подсолнечной лузги, ботвы, и др. Тракторы, разбрасыватели тракторные прицепные
Внесение микроорганизмов-пробиотиков и полив ЭМ-препарат, вода не хлорированная Машины поливомоечные
Внесение неорганического материала с механизированной загрузкой и разбрасыванием Песок Тракторы, разбрасыватели тракторные прицепные
Сплошная обработка почвы по системе зяблевой вспашки Тракторы, навесное сельскохозяйственное оборудование
Внесение червесубстрата Червесубстрат Тракторы, разбрасыватели тракторные прицепные
В качестве микроорганизмов-пробиотиков согласно предлагаемой технологии предлагается использовать концентраты «Байкал ЭМ-1» или «Тамир». Эффективное снижение концентрации нефти в субстрате происходит при применении любого из предлагаемых препаратов. Следует отметить, что результаты биотестирования очищенных субстратов показали, что при применении препарата «Байкал ЭМ-1» продуктивность субстратов оказывалась неизменно выше, при этом скорость разложения нефти в субстратах, на которых использовался препарат «Тамир» была выше. Выбор препарата осуществляется в соответствии с предполагаемым дальнейшим использованием очищаемого субстрата.
Микробиологический препарат готовится из концентратов согласно инструкции по применению. Рекомендуемые количества внесения препаратов: препарат «Байкал ЭМ-1» - от 7 до 9 л/м2 обрабатываемой площади, препарат «Тамир» от 5 до 7 л/м2.
Расчет необходимых количеств листового опада, песка, червесубстрата производится с учетом типа субстрата и его начального уровня загрязнения углеводородами нефти.
Требуемое количество органической добавки т0 определяется:
т0 = 0,01 £ h р L (кг),
где £ - площадь обрабатываемого участка, м2; h -глубина обработки субстрата, м; р - плотность субстрата, кг/м3; L - оптимальное количество органического материала в субстрате, % по массе.
Требуемое количество песка
тп = 0,01 £ h р Р (кг),
где Р - оптимальное количество песка в субстрате.
Требуемое количество червесубстрата
тчс = К £ h р G/Z (кг),
где К - коэффициент, учитывающий гибель особей при смене корма; G - оптимальное количество червей в 1 кг субстрата, экз/кг; Z - среднее количество червей в 1 кг червесубстрата, экз/кг.
Глубина обработки, оптимальное количество органического материала и песка зависит от начальной концентрации углеводородов и типа субстрата. Например, для начальной концентрации нефти в черноземе 6 г/кг минимальная глубина обработки составляет 0,3 м, а оптимальное количество органического материала и песка соответственно 30 и 5 %. Для суглинков при тех же условиях соответствующие значения будут составлять 0,15 м, 35 и 15 %. Оптимальное количество червей зависит от начального уровня загрязнения субстрата и колеблется от 20 до 35 экз/кг. Поправочный коэффициент учитывает естественную гибель беспозвоночных в условиях нового местообитания и смены корма и имеет эмпирический характер.
При загрязнении субстратов нефтью и нефтепродуктами в них нарушаются процессы газообмена с окружающей средой, усиливаются их гидрофобные свойства, наблюдается повышенная слеживаемость, образование твердых, плотных, плохо разрушающих-
ся агломератов - кутанов. Внесение песка в виде разрыхлителя позволяет обеспечить требуемую рыхлость субстрата и увеличить его аэрируемость.
Определено количество песка для различных типов субстратов и начальных концентраций нефти. Оптимальное количество разрыхлителя составляет 5 - 10 %. Применение комплексного биологического метода эффективно для слоя субстрата глубиной от 10 до 40 см при механической обработке.
При определении оптимальной численности популяции дождевых червей необходимо учитывать, что при заселении популяции на новый субстрат происходит гибель не менее 10 % особей. Оптимальное количество дождевых червей зависит от типа субстрата и начальной концентрации нефти.
Предложенная технология была использована для очистки сапропеля, загрязненного сырой нефтью. Начальная концентрация нефтяных углеводородов составляла 6 г/кг. На 10 кг сапропеля было внесено 3 кг компостированного листового опада, 500 г песка, 455 дождевых червей Lumbricidus гыЬеШш. В качестве контроля использовался загрязненный сырой нефтью необработанный сапропель. Эксперимент проводился в трехкратной повторности. Определение остаточной концентрации нефти в почве проводилось каждые 5 дней. Наблюдения за динамикой снижения концентрации нефти в сапропеле показали, что за 45 сут в обработанном по предлагаемой технологии сапропеле концентрация нефти снизилась на 84 %, в необработанном сапропеле на 45 %. В первом случае за 45 сут была достигнута низкая концентрация нефти в сапропеле, а во втором - только средняя. Динамика снижения содержания нефти в сапропели после обработки субстрата по предложенной технологии и в контроле представлена на рис. 1.
61
g 4" я
я 3 я
!• 2-
я я
о
и
5 10 15 20 25 30 35 40 45
Время эксперимента, сут
Рис. 1. Снижение содержания нефти в сапропели
с течением времени:--обработанный сапропель;
---необработанный сапропель
Аналогичные эксперименты были проведены для
начальных концентраций нефти в сапропели от 1 до
12 г/кг. Наблюдения проводились в течение 30 дней. Исследовалось применение разработанной технологии и для других субстратов: чернозема, каштановой, песчаной почвы и суглинков. На рис. 2 представлена зависимость остаточной концентрации нефти в черноземе в зависимости от начального уровня загрязнения субстрата. Применение разработанной технологии позволяет в течение 1 мес снизить концентрацию
5
1
0
нефти в субстрате на 40 - 80 % в зависимости от исходной.
Рис. 2. Изменение остаточной концентрации углеводородов нефти в зависимости от начального уровня загрязнения
Эффективность предложенной комплексной биотехнологии подтверждается результатами биотестирования. Обработанный по предложенной технологии чернозем, с исходной концентрацией нефти 8 г/кг, был засеян кресс-салатом. В качестве контроля использовали загрязненный чернозем без обработки, свежезагрязненный и незагрязненный чернозем. Полученные результаты представлены на рис. 3. Количество биомассы кресс-салата, полученного на обработанном по предложенной технологии черноземе, оказалось самым высоким. Минимальная биомасса кресс-салата была получена на свежезагрязненном черноземе. Следует отметить, что растения, выращенные на свежезагрязненной почве и на черноземе без обработки, имели плохо развитую корневую систему, прорости были тонкие, появление настоящего листа задерживалось на 3 - 5 дней по сравнению с контролем.
120 -| 100 -
Рис. 3. Зависимость полученной биомассы кресс-салата от способа обработки нефтезагрязненного чернозема: 1 - загрязненный чернозем без обработки; 2 - свежезагрязненный чернозем; 3 - незагрязненный чернозем; 4 - обработанный чернозем
Анализ полученных данных позволяет сделать вывод о том, что внесение в нефтезагрязненный субстрат компостированного органического материала и популяции дождевых червей не только интенсифицирует процесс биодеградации углеводородов нефти, но и способствует обогащению почвы биогенными элементами.
Предложенная комплексная технология обеспечивает высокую степень очистки, экономичность, простоту, надежность и экологичность. Кроме того, она удачно комбинируется с механическими и физическими способами очистки нефтезагрязненных субстратов. Процесс деструкции углеводородов нефти протекает от нескольких недель до нескольких месяцев в зависимости от степени загрязнения объекта, химического состава загрязнителя, климатических и физико-химических параметров среды.
Технология рекомендуется к использованию при проведении восстановительных мероприятий по снижению нефтяного загрязнения иловых отложений спускных прудов, используемых в рыбохозяйствен-ных целях; разработке проектов восстановления или рекультивации земель и ранее отработанных площадей после проведения очистных работ, как самостоятельный способ комплексного биологического восстановления экологических функций почв или как дополнительный (завершающий) этап после механического, физического либо другого способа очистки; ликвидации старых (застарелых) загрязнений нефтепродуктами объектов окружающей среды.
Литература
1. Гашева М.Н., Гашев С.Н., Соромотин А.В. Состояние растительности как критерий нарушенности лесных биоценозов при нефтяном загрязнении // Экология. 1990. № 2. С. 77 - 78.
2. Касимов Р.Ю., Рустамова Ш.А. Влияние нефти из различных месторождений на молодь осетровых рыб // Тр. ВНИИОРХ. 1971. Т. 3. С. 13 - 23.
3. Киреева Н.А. Микробиологические процессы в нефтезагрязненных почвах. Уфа, 1995. 171 с.
4. Вергунова Е.А. Полевые исследования влияния загрязнения территории нефтью на флору высших растений // Нефтепромысловое строительство. 1985. № 8. С. 17 - 18.
5. Гамм Т.А. Технология рекультивации техногенно нарушенных почв // Экология и промышленность России. 2003. № 5. С. 25 - 26.
6. Методика определения ущерба окружающей природной среде при авариях на магистральных нефтепроводах : руководящий документ / утвержден Минтопэнерго РФ 01.11.95. М., 1996. 68 с.
7. Винник В.В., Овчаров С.Н., Дементьев М.С. Перспективы использования вермикультуры для восстановления неф-тезагрязненных почв // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2004. № 3. С. 106 - 107.
8. Винник В.В., Дементьев М.С., Овчаров С.Н. Выживание дождевых червей (Lumbricus rubellus L.) в почвах, загрязненных сырой нефтью // Объединенный научный журнал. М., 2003. № 27 (85), ноябрь. С. 72 - 74.
9. Винник В.В., Овчаров С.Н., Дементьев М.С. Интенсификация процесса самоочищения почв, загрязненных сырой нефтью в присутствии местных форм дождевых червей //Актуальные проблемы экологии : сб. науч. работ. Т. 3, № 3. Томск, 2004. С. 409 - 410.
Поступила в редакцию 2 февраля 2009 г.
Смольникова Валерия Владимировна - канд. биол. наук, доцент, кафедра технологии переработки нефти и промышленной экологии, Северо-Кавказский государственный технический университет; E-mail: [email protected]
Smolnikova Valeriya Vladimirovna - Candidate of Biol Sciences, assistant professor, department of technology of oil refining and industrial ecology; The North-Caucasian state technical university; E-mail: [email protected]
