CC BY
17
УДК 631.41:662.882.502.65
Грошева С.В., Куликова Н.В., Тихонова И.О.
ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ СТРУКТУРАТОРОВ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРОЦЕССА ДЕСТРУКЦИИ НЕФТЕПРОДУКТОВ (БИОРЕМЕДИАЦИИ)
Грошева Светлана Валерьевна- аспирант 2-го года обучения кафедры промышленной экологии, ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», [email protected]
Куликова Надежда Владиславовна - магистрант 1-го года обучения кафедры промышленной экологии, ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», Тихонова Ирина Олеговна - кандидат технических наук, доцент кафедры промышленной экологи, ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», Россия, Москва, 125047, Миусская площадь, дом 9.
Представлен анализ распространённых добавок, применяемых для биоремедиации, а также приведены результаты лабораторных исследований, полученные при осуществлении биоремедиации загрязненного грунта с применением добавок в различном процентном соотношении. Предложены оптимальные составы и типы вносимых добавок для почвы, загрязненной нефтепродуктами и нефтью, и иерархический подход к выбору вносимых добавок. Предлагаемая иерархия выбора вносимых добавок позволит оптимизировать не только процесс биоремедиации, но и заранее предугадать интенсивность и скорость биоремедиационного процесса, а также просчитать затраты на его осуществление.
Ключевые слова: биоремедиация, нефтепродукты, структураторы, добавки, сорбенты, рекультивация.
INFLUENCE OF DIFFERENT STRUCTURERS ON EFFICIENCY OF DESTRUCTION OF PETROLEUM PRODUCTS (BIOREMEDIATION)
Grosheva S.V.1, Kulikova N.V.1, Tikhonova I.O.1
1 D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russian Federation
The article presents an analysis of common additives used for bioremediation, as well as the results of laboratory studies obtained during the bioremediation of contaminated soil using additives in various percentages. Optimal compositions and types of applied additives for soil contaminated with oil products and oil, and a hierarchical approach to the choice of applied additives are proposed. The proposed hierarchy of choice of additives will make it possible to optimize not only the bioremediation process, but also to predict in advance the intensity and speed of the bioremediation process, as well as to calculate the costs of its implementation. Key words: bioremediation, oil products, structurants, additives, sorbents, reclamation.
Введение
Биоремедиация является технологией, основанной на природных процессах самовосстановления и самоочищения почв. Данные процессы осуществляются бактериальными микроорганизмами, грибами, водорослями, растениями и/или их изолированными ферментами. Микроорганизмы-нефтедеструкторы распространены в природе очень широко и могут быть выделены из любой почвы, осадочных пород, морской и речной воды.
Конечными продуктами, образующимися от метаболизма нефти микроорганизмами в почве, являются: углекислота (связывается в составе карбонатов) и вода, кислородсодержащие соединения (спирты, кислоты, альдегиды, кетоны), которые частично входят в почвенный гумус, частично растворяются в воде и удаляются из почвенного профиля, твердые нерастворимые продукты метаболизма - результат дальнейшего уплотнения высокомолекулярных продуктов или связывания их в органо-минеральные комплексы, твердые корочки высокоминеральных компонентов нефти на поверхности почвы (киры), а также вода и углекислый газ [1]. При этом эффективность проведения биоремедиации напрямую зависит не
только от химического и фракционного состава нефти, от типа почвы, а также от применяемых добавок или структураторов, позволяющих интенсифицировать процесс.
Экспериментальная часть
Для оценки потенциала использования различных структураторов при биоремедиации нефтезагрязненных почвогрунтов оценивали: торф верховой и торф низинный, навоз конский, биогумус, ил избыточный биологических очистных сооружений в смеси с осадком механической очистки хозяйственно-бытовых и смешанных сточных вод с очистных сооружений г. Старая Купавна Московской области, возвратный ил очистных сооружений в пос. Тучково Московский области, предварительно высушенный мох сфагнум (Sphagnum (L.)), а также органические пищевые отходы (очистки плодовых и овощных культур).
В качестве загрязненного грунта использовался грунт, отобранный из Пономаревского шламонакопителя, расположенного в Оренбургской области. Для проведения исследований были отобраны 2 пробы массой 35 кг и 23 кг с содержанием нефтепродуктов 18% и 21,3%, pH 8,1 и pH 8,2 соответственно.
В качестве нефтедеструктора использовали препарат «Нефтедеструктор, микробиологический препарат», произведенный по ТУ 20.59.59-00441289053-2019 марки Центр, предназначенный для применения при температурах от плюс 5°С до плюс 30 °С, производства ООО «НПО Волга-Экология». В перечень основных штаммов входят следующие виды микроорганизмов: Bacillus atrophaeus ВКМ B-81, Pseudomonas spp. ВКМ B-892, Pseudomonas putida ВКМ B-1301, Arthrobacter sp. Ac-950, Microbacterium flavescens ВКМ Ac-1415, Bacillus megaterium ВКМ B-112, а также бактерии Agrobacterium radiobacter ВКМ В-1219 и/или бактерии Pseudomonas turukhanskensis ВКМ В- 2935 [2].
Перед началом проведения программы лабораторных испытаний был осуществлен входной анализ проб нефтезагрязненного грунта по следующим показателям: pH водной вытяжки, содержание нефтепродуктов, сульфатов, хлоридов, тяжелых металлов.
Также был выполнен входной анализ ила избыточного биологических очистных сооружений в смеси с осадком механической очистки хозяйственно-бытовых и смешанных сточных вод с очистных сооружений г. Старая Купавна; возвратного ила очистных сооружений пос. Тучково, результаты представлены в Таблице 1.
Таблица 1 Содержание основных загрязняющих веществ в иле очистных сооружений, мг/кг
Нефтепродукты Железо общ. Медь Хром общ. Никель Цинк
Ил избыточный 497 2537 58 131 18 1213
Ил возвратный 20 38 66 69 1 0,5
Активация нефтедеструктора проводили в течение 2 часов в пятилитровой емкости с использованием питьевой воды. Было осуществлено поддержание непрерывной аэрации с помощью компрессора и температуры воды на уровне 24-27 оС. В качестве элементов минерального питания были использованы «Нитроазофоска» и «Азофоска». В качестве источника углерода был внесен сахар.
Подготовка образцов нефтезагрязненного грунта со структураторами проводили в пластиковых емкостях объемом 5 л. В течении четырех месяцев после смешения в различных соотношениях структураторов и добавок с исходным грунтом осуществляли перемешивание 1-2 раза в неделю, а также проводили контроль и поддержание влажности на уровне 65-80% - согласно рекомендациям ТУ 20.59.59-004-41289053-2019.
Как известно, для биоремедиации оптимальным считается содержание влаги около 70-80%. Влажность менее 40% существенно снижает скорость биоремедиации. При влажности почвы выше 80-90% перенос кислорода затрудняется, вследствие чего уменьшается интенсивность аэробных процессов и скорость биоремедиации существенно снижается [3].
Также дополнительно был проведен опыт по активации торфа верхового «Нитроазофоской» и «Азофоской», проведенной путем добавления данных удобрений и питьевой воды в емкость, наполненною торфом, и выдерживании полученного образца при температуре 23-27оС в течении четырех суток.
Согласно литературным данным, численность углеводородокисляющих бактерий в торфе часто превышает аналогичный показатель для почв. Кроме того, микроорганизмы торфа не являются антогонистами почвенных микроорганизмов. При этом, если рассматривать адсорбционные способности торфа, то наибольшей адсорбционной способностью обладает торф верховой
малоразложившийся моховой и травяной группы с губчатой и волокнистой структурой, чем торф низинный, а для увеличения уже имеющейся численности углеводородокисляющей микрофлоры используют предварительную активацию торфа минеральными удобрения [4].
Верховой торф состоит из растительных остатков, которые произрастают на поверхности болота. Как правило данный тип торфа называют сфагновый, из-за высокого содержания основной его составляющей сфагнового мха. Данному типу торфа присуща низкая степень разложения, в связи с этим характеризуется довольно невысоким содержанием минеральных элементов, вместе с тем его сорбционные свойства весьма высоки.
Питание низинного торфа осуществляют грунтовые воды, он характеризуется высокой степенью разложения и содержанием не менее 70% органики, а также базовые микроэлементы, необходимые для роста растений.
В ходе проведения исследований также были сделаны три контрольные пробы, в две из которых нефтедеструктор не добавлялся, а в третью пробу был добавлен нефтедеструктор. Эффективность процесса без добавления структураторов и добавок с добавлением нефтедеструктора составила 23,9%.
Торф верховой, торф низинный, навоз конский, биогумус, мох (Sphagnum (L.)), ил избыточный, возвратный ил и органические отходы добавляли в различных процентных содержаниях. Также торф верховой, торф низинный, биогумус и навоз конский смешивали между собой в различных пропорциях для выявления эффекта от комплексного добавления структураторов и добавок.
Навоз конский был выбран в качестве добавки в связи с наличием биогенных элементов: натрий, калий и фосфор, которые необходимы для роста микроорганизмов деструкторов. Так согласно РД-АПК 1.10.15.02-17 в свином навозе содержание натрия, фосфора и калия представлено в следующем
процентном соотношении: 6,0:3,2:2,5. Для навоза крупного рогатого скота - 3,1:1,8:3,2, для помета птиц - 6,2:3,5:2,1 [5]. Для конского навоза это соотношение по разным источникам может составлять 7:2:7, кроме того, конский навоз имеет низкую кислотность, тем самым, он не является закислителем почвы и питает растения, не нанося им вред, по сравнению с навозом коров и свиней в меньшей степени содержит семена сорняков в своем составе.
Схожими характеристиками по процентному содержанию данных биогенных элементов обладает избыточный активный ил. Однако высокое содержание в активном иле тяжелых металлов, как правило, выступают ингибирующим фактором для роста микроорганизмом, в особенности, свинец и ртуть [6].
Биогумус представляет собой ценное органическое удобрение, являющееся продуктом
переработки различного рода органических отходов дождевыми червями. В конечном итоге, получается сыпучая, мелко гранулированная масса, обладающая высокой влагоемкостью, не содержащая патогенную микрофлору, яиц и личинок гельминтов, цист патогенных простейших и семян сорняков, вредных примесей и не обладающая токсичностью. Содержание натрия, фосфора и калия в биогумусе представлено в следующем процентом соотношении: 1,5:1,2:1,2 [7].
Полученные результаты проведения
лабораторных исследований представлены в Таблице 2.
Внесение торфа низинного показало наилучший результат при его отдельном внесении. Кроме того, при внесении торфа низинного в образец, в который уже были внесены навоз конский (10 %) и торф верховой (10%), показатель эффективности нефтедеструкции возрос с 91,8% до 96%.
Таблица 2. Оценка эффективности процесса биоремедиации, % очистки
Структоратор / сорбент Количество внесенного структуратора
0,5% 1,5 % 3% 5% 10% 20%
Торф верховой - - - 75,3 81,8 91,8
Торф верховой (активированный) - - - 79,2 - -
Торф низинный - - - 90,1 94,2 95,3
Навоз конский - - - 75,4 82,6 88,2
Биогумус - - - - 88,1 93,6
Мох сфагнум (Sphagnum (L)) 50,4 55,3 59,8 - - -
Ил избыточный - - 59,8 63,75 58,2 -
Ил возвратный - - - - 68,6 74,6
Пищевые отходы - - 22,1 15,83 18,7 -
Внесение биогумуса также показало высокие результаты достижения нефтедеструкции. Вместе с тем, необходимо обратить внимание на то, что для достижения 93,6% эффективности потребовалось внесение значительных количеств биогумуса - 20%. В промышленных масштабах рекультивации земель внесение в таком объеме биогумуса будет ограничиваться стоимостью биогумуса, которая приведет к удорожанию технологического процесса в целом.
В случае внесения ила избыточного биологических очистных сооружений в смеси с осадком механической очистки хозяйственно-бытовых и смешанных сточных вод с очистных сооружений г. Старая Купавна Московской области и возвратного ил очистных сооружений, расположенных в пос. Тучково Московский области ила отчетливо наблюдается картина ингибирующего эффекта тяжёлых металлов, которые содержались в высоком количестве в иле избыточном, при увеличении его содержания в пробе до 20% эффективность нефтедеструкции начала
уменьшаться. При этом такого эффекта не наблюдалось при внесении возвратного ила в том же процентном соотношении.
Анализируя результаты внесения навоза конского можно увидеть, что его эффективность значительно ниже торфа низинного и биогумуса. Однако за неимением возможности внесения торфа и биогумуса навоз конский показал себя в качестве неплохой альтернативы, позволяющей обеспечить высокие показатели нефтедеструкции.
Внесение пищевых отходов, которые при разложении должны были послужить дополнительным источником питательных веществ не привнесло никаких положительных результатов и даже показало худшие результаты в сравнении с контрольной пробой при внесении только нефтедеструктора. В процессе разложения органических отходов принимают участие множество видов грибов и бактерий. При этом, данный процесс интенсифицируется в анаэробных условиях и при повышении температуры. Кроме того, микроорганизмам также необходимо наличие доступных биогенных элементов. Потребляя органические отходы как субстрат, микроорганизмы также продуцируют продукты жизнедеятельности диоксид углерода, органические соединения [8]. Таким образом, наличие двух разных групп микроорганизмов, одних ориентированных на потребление нефтепродуктов, других - на
органические соединения, и нуждающихся в биогенных элементах для их роста, послужило созданием среды, где оба процесса лимитировались указанными факторами и нефтедеструкция не осуществлялась с желаемым результатом.
Также внесение мха сфагнума (Sphagnum (L.)) показало невысокие результаты деструкции нефтепродуктов в загрязнённых грунтах. Как правило, внесение мха сфагнума (Sphagnum (L.)) дает хорошие результаты, в связи с тем, что он является прекрасным сорбентом для нефтепродуктов.
На его основе изготавливают сорбционные материалы, используемые для очистки почв, водоемов от нефтяных загрязнений. Низкую активность мха сфагнума (Sphagnum (L.)) можно объяснить его невысокой дозой (0,5-3%). Анализируя полученные результаты, видна отчетливая картина увеличения степени эффективности процесса при увеличении процентного содержания мха сфагнума (Sphagnum (L.)) в образцах.
Вместе с тем, необходимо отметить, что при выборе добавок при реализации работ в промышленных условиях, одним из решающих факторов является стоимость добавок. Так, самыми дорогостоящими добавками являются биогумус и мох сфагнум (Sphagnum (L)), затем идет навоз конский, потом торф низинный, торф верховой, и самая экономически выгодная добавка - ил избыточный и ил возвратный биологических очистных сооружений. Необходимо учитывать, что регион реализации работ и транспортная доступность того или иного структуратора (добавки) существенно вносит корректировку в его стоимость.
Заключение
Полученные результаты лабораторных испытаний позволили установить иерархию использования добавок и структураторов для интенсификации процесса биоремедиации грунтов, загрязненных нефтепродуктами и нефтью. Торф низинный показал себя как приоритетная добавка, позволяющая достичь высоких результатов нефтедеструкции в короткие сроки, однако имеющая довольно высокую стоимость. Его альтернативной могут выступать торф верховой и навоз конский. Биогумус, показывая высокую эффективность, имеет высокую стоимость, что сильно ограничивает его
применение в промышленных масштабах. Также нельзя не отметить, что использование активного избыточного ила и возвратного ила возможно для повышения процесса интенсификации
нефтедеструкции, однако при проведении промышленных испытаний необходимо отчетливо устанавливать предельные процентные содержания их внесения в загрязненные грунты, в целях достижения максимального эффекта от осуществления процесса.
Список литературы
1. Кузнецов А.Е., Градова Н.Б., Лушников С.В. Прикладная экобиотехнология: учебное пособие: в 2. Т. 1 / 3-е изд. -М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2015. - 629 с.
2. ТУ 20.59.59-004-41289053-2019. Нефтедеструктор, микробиологический препарат. ООО «НПО Волга-экология».
3. Кузнецов А.Е., Градова Н.Б. Научные основы экобиотехнологии: учебное пособие для студентов. М.: Мир, 2006. - 504 с.
4. Гаврилов С.В., Канарская З.А. Адсорбционные свойства торфа и продуктов его переработки // Вестн. Казан. технол. ун-та. 2015. Т. 18, № 2. С. 42242.
5. РД-АПК 1.10.15.02-17. Методические рекомендации по технологическому проектированию систем удаления и подготовке к использованию навоза и помета.
6. Горелова, О.М. Исследования по утилизации избыточного активного ила / О.М. Горелова, К.Ю. Титова // Ползуновский вестник. - 2015. - № 4. - Т.1. -С. 114-118.
7. Суслов С.А., Дулепов М.А. Биогумус - резерв повышения эффективности сельского хозяйства // Вестник Нижегородского государственного инженерно-экономического института. - Княгинино: НГИЭИ, 2011. - Вып. 2. - С. 38-47.
8. Трубецкой О.А., Чиаватта К., Трубецкая О.Е. Электрофоретический мониторинг созревания гуминоподобных веществ в процессе компостирования органических отходов. //Материалы 2-й международной научно-практической конференции «Дождевые черви и плодородие почв». - Владимир, 2004.
