СПОСОБ ОЧИСТКИ ВОДОЕМОВ И ПОЧВ ОТ НЕФТЯНЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ Российский патент 1998 года по МПК C02F3/34 E02B15/04 B09C1/10 

Изобретение относится к способам ликвидации нефтяных загрязнений биологическими методами в местах разливов нефти и нефтепродуктов при их добыче, транспортировке, хранении и использовании, в том числе для ликвидации так называемых "амбаров" - крупных скоплений нефти и нефтепродуктов в углублениях земной поверхности, превратившихся с течением времени в плотную битумоподобную массу.

Известны способы очистки водоемов и почв, основанные на использовании деятельности углеводородокисляющих микроорганизмов естественных биоценозов в местах нефтяных загрязнений, путем внесения в нефтесубстрат (загрязненная нефтью и/или нефтепродуктами почвенная и/или водная среда, содержащая углеводородокисляющие микроорганизмы и служащая основой для их развития) дополнительных источников питания, в том числе модифицированных для придания им требуемых свойств, таких, например, как плавучесть, диспергирующая способность, пролонгированное выделение азота и т.д. (патенты США NN 3959127, 4087356, 4230562; Великобритании NN 1542154, 2115339). Однако использование таких способов не позволяет достичь удовлетворительной степени и сроков очистки из-за недостаточно высокой углеводородокисляющей способности микроорганизмов естественных биоценозов.

Наиболее близким к изобретению является способ очистки водоемов и почв от нефтяных загрязнений, предусматривающий нанесение препарата углеводородокисляющих микроорганизмов (как монокультур, так и консорциумов) на нефтесубстрат загрязненного участка (НИИСЭНТИ НПО "Медбиоэкономика". Обзорная информация. Защита окружающей среды, утилизация отходов, очистка сточных вод и выбросов, промышленная санитария и гигиена в медицинской промышленности. 1992, выпуск 3: биотехнология очистки нефтезагрязненных территорий, с. 29).

Несмотря на более высокую эффективность такого способа в сравнении с предыдущими, при его использовании также возникают определенные трудности. Так, полученные как правило в результате селекции или методами генной инженерии штаммы углеводородокисляющих микроорганизмов, входящие в состав препаратов, при внесении на нефтезагрязненные участки не всегда выдерживают конкуренции с местной микрофлорой, в результате чего последняя быстро подавляет искусственно созданные штаммы, и интенсивность биодеструкции оказывается ниже ожидаемой. Проблему не решило ни использование в препаратах чистых культур, выделенных из естественных биоценозов, ни введение в состав питательной среды для получения препаратов специфических для загрязнений углеводородов, поскольку различные нефтезагрязнения могут существенно отличаться фракционным составом углеводородов, что предполагает необходимость использования специфичных для данного состава микроорганизмов-биодеструкторов.

Задача изобретения - создание такого способа очистки водоемов и почв от нефтяных загрязнений, который благодаря специальной подготовке входящих в состав препарата микроорганизмов перед его нанесением на нефтесубстрат обеспечил бы повышение активности углеводородокисляющих микроорганизмов препарата и нефтесубстрата и их конкурентоспособности по отношению к тем микроорганизмам нефтесубстрата, которые не являются углеводородокисляющими, и тем самым позволил бы полнее ликвидировать нефтяные загрязнения.

Задача решается тем, что в способе очистки водоемов и почв от нефтяных загрязнений, предусматривающем нанесение препарата углеводородокисляющих микроорганизмов на нефтесубстрат загрязненного участка, согласно изобретению микроорганизмы препарата перед упомянутым нанесением культивируют в среде, содержащей нефтесубстрат загрязненного участка, взятый в количестве, обеспечивающем симбиотический рост углеводородокисляющих микроорганизмов препарата и нефтесубстрата загрязненного участка.

Указанное культивирование микроорганизмов в среде, содержащей нефтесубстрат загрязненного участка, позволяет адаптировать их к существованию в условиях данного нефтезагрязнения, а именно к его химическому составу и видовому составу его природной микрофлоры. Гарантией этого является такое соотношение препарата и нефтесубстрата в культивационной среде, при котором имеет место симбиотический рост углеводородокисляющих микроорганизмов препарата и нефтесубстрата, поскольку такой рост свидетельствует о повышении активности как микроорганизмов препарата, так и углеводородокисляющих микроорганизмов нефтесубстрата, а также об увеличении их конкурентоспособности по отношению к другим микроорганизмам, населяющим данным нефтесубстрат. В результате такой подготовки углеводородокисляющие микроорганизмы активнее и дольше осуществляют биодеструкцию углеводородов нефтесубстрата загрязненного участка, преобразуя их в экологически безвредную биомассу.

Понятие "симбиотический рост", как известно, предполагает наличие более высокого титра биомассы двух или нескольких культур микроорганизмов при их совместном культивировании в сравнении с суммой титров биомасс этих же микроорганизмов при их раздельном культивировании. На практике симбиотический рост считается имеющим место, если отмечается не менее чем двухкратное превышение "титра суммы" в сравнении с "суммой титров". Следует также отметить, что подбор обеспечивающего симбиотический рост количества нефтесубстрата загрязненного участка для добавления в культивационную среду на практике не вызывает затруднений, поскольку может быть осуществлен с помощью общеизвестных экспресс-методов определения титра биомассы микроорганизмов еще на начальных стадиях их роста. Последнее обстоятельство позволяет без существенных материальных затрат и потерь времени, осуществляя скрининг и мониторинг процесса культивирования микроорганизмов в присутствии нефтесубстрата, постоянно корректировать данный процесс для максимизации симбиотического роста.

Поставленная задача решается и тем, что культивирование прекращают до наступления лаг-фазы роста углеводородокисляющих микроорганизмов препарата и нефтесубстрата загрязненного участка. Несмотря на то, что культивирование может быть прекращено на любой стадии роста, целесообразнее осуществлять это до наступления вышеупомянутой фазы, поскольку только на предшествующей ей лог-фазе происходит непрерывное повышение титра биомассы и активности микроорганизмов.

Поставленная задача решается также тем, что культивирование осуществляют глубинным методом в течение 2-24 ч при доле нефтесубстрата в массе культивационной среды 1-50%. Такой способ культивирования предназначен для подготовки микроорганизмов вне загрязненного участка и осуществляется как правило в емкостях с использованием мешалок и/или барботирования. Указанные параметры получены опытным путем и практически являются предельными для данного способа культивирования.

Поставленная задача решается, кроме того, и тем, что культивирование осуществляют путем нанесения препарата на нефтесубстрат части загрязненного участка с экспонированием в течение 1-4 сут. Данный способ культивирования является по существу вариантом использования естественных условий загрязненного участка для подготовки на определенной его части (как правило небольшой) микроорганизмов препарата к использованию с последующим нанесением препарата на нефтесубстрат всего участка. Указанное время экспонирования (выдержки препарата на поверхности нефтесубстрата) является с одной стороны минимально необходимым, а с другой - вполне достаточным для осуществления упомянутого варианта подготовки препарата.

Пример 1. Культивирование микроорганизмов препарата глубинным методом в среде, содержащей нефтесубстрат загрязненного участка. В лабораторных условиях был поставлен опыт по определению количества нефтесубстрата, необходимого для обеспечения симбиотического роста углеводородокисляющих микроорганизмов препарата и нефтесубстрата. Использовали препараты двух видов: монокультура ("Путидойл") и консорциум ("Динал"). В качестве нефтесубстрата был взят мазутоподобный нефтепродукт возрастом более 10 лет (Краснокамск, КСНХМ). В колбы с водной суспензией препарата добавляли различное количество нефтесубстрата и устанавливали их на мешалки. По меньшей мере в одну из колб не добавляли нефтесубстрат, а в другую - препарат. После включения мешалок каждые 4 ч на протяжении суток осуществляли отбор проб из колб для определения общего титра биомассы. Результаты испытаний (для препарата "Динал") занесены в таблицу.

Как явствует из таблицы, значительное увеличение общего титра биомассы наблюдалось при доле нефтесубстрата 2-5 мас.%. В дальнейшем происходило постепенное угнетение роста микроорганизмов. Выборочно путем микроскопирования определяли также относительное содержание в культивационной среде дикой углеводородокисляющей микрофлоры нефтесубстрата. Было отмечено существенное усиление ее роста при культивировании в среде, содержащей 2-5 мас.% нефтесубстрата.

При использовании для культивирования легких или жидких нефтесубстратов (разливы нефтепродуктов на песчаных почвах, в водоемах и т.п.) наличие симбиотического роста наблюдалось даже в том случае, когда доля нефтесубстрата в культивационной среде составляла до 50% ее массы. Подобные результаты были получены и в аналогичных опытах с использованием препарата "Путидойл". Значения доли нефтесубстрата при культивировании микроорганизмов, а также длительности такого культивирования целесообразно определять в каждом конкретном случае отдельно, учитывая вид нефтезагрязнения, состав используемого препарата и т.д. Как показали многочисленные испытания, подобное определение может быть без особых ограничений осуществлено в реальных условиях при подготовке к ликвидации нефтезагрязнения. Необходимым и достаточным условием при этом является наличие симбиотического роста углеводородокисляющих микроорганизмов препарата и нефтесубстрата загрязненного участка.

Пример 2. Моделирование процесса биодеструкции сырой (товарной) нефти в оптимальных условиях (аэрирование, температура 30^oС). Процесс биодеструкции сырой нефти осуществляли в двух вариантах:
с использованием 100 мл водной суспензии препарата "Динал", содержащей 3% диаммофоса (титр 1,28 х 10¹¹ кл/г);
с использованием той же суспензии, которую предварительно культивировали в течение 12 ч в присутствии 7 г нефтесубстрата - сырой нефти (титр 1,38 х 10¹⁵ кл/г; подбор условий культивирования согласно примеру 1).

При использовании первого варианта через 7 сут смесь нефти и препарата гомогенизировалась, приобрела рыжий оттенок, после отстаивания в стационарных условиях наблюдалось
расслоение. Придонный слой - коричневого цвета, состоит из отмерших клеток микроорганизмов препарата и продуктов разложения нефти. Деструкция составила 76-77%. При использовании второго варианта аналогичная картина наблюдалась уже через 18 ч. Через 48 ч деструкция составила 98,1%.

Пример 3. Моделирование процесса биодеструкции нефтепродуктов, позволяющее прогнозировать ход биодеструкции в натурных условиях, осуществляли аналогично предыдущему примеру. Отличия состояли в использовании в качестве нефтепродукта, а соответственно и нефтесубстрата, мазута (150 г) и в добавке к суспензии препарата 5% диаммофоса. Титр биомассы в результате культивирования микроорганизмов препарата в присутствии нефтесубстрата увеличился с 1,28 х 10¹¹ кл/г до 1,45 х 10¹⁶ кл/г. В первом случае препарат переводит мазут в легколетучую жидкость, хорошо смачивающую стенки стеклянной посуды и похожую по консистенции на товарную нефть в течение 8 сут. Во втором случае препарат позволяет осуществить подобный процесс за сутки, а через трое суток обеспечивает полную утилизацию мазута, подтверждающуюся отсутствием углеводородов нефти в осадке и надосадочной жидкости. В стационарных условиях при температуре 14-16^oС процесс биодеградации при использовании неподготовленного препарата осуществлялся в течение 3 мес, а при использовании предварительно подготовленного (культивирование в присутствии нефтесубстрата) - в течение 27 сут.

Пример 4. В натурных условиях для очистки двух участков шламового амбара площадью 5 м² каждый с нефтезагрязнением толщиной 0,35 м при общем количестве нефтешлама, включая механические примеси, 3500 кг использовали по 28 л водной суспензии препарата "Динал": для первого участка - культивированной в аэрируемых условиях в течение 10 часов без добавления нефтесубстрата (титр биомассы 1,32 х 10¹⁰ кл/г); для второго участка - культивированной при тех же условиях с добавлением 3% нефтесубстрата из шламового амбара (титр - 1,93 х 10¹⁶ кл/г).

Обработку обоих участков осуществляли распылительным способом. Отбор проб нефтешлама производили до обработки препаратом и в процессе его биодеградации. Исходный нефтешлам представлял собой визуально битумоподобную массу плотностью 1,3-1,4 г/см³. На первом участке деструкция произошла на 42-44% в течение 27 сут. Разжижение нефтешлама было незначительным. На втором участке через сутки после обработки наблюдалось разжижение верхнего слоя нефтешлама толщиной 7 см. Через трое суток - разжижение по всему объему; плотность снизилась до 0,879 г/см³, что близко к плотности сырой нефти. Через 27 сут деструкция нефтешлама составила 74-78%.

Пример 5. В результате аварийного выброса нефти произошло загрязнение двух прудов площадью 0,2 га и 0,5 га. Толщина пленки нефти на поверхности составила 12-20 мм. Суспензию препарата "Динал" готовили в аэрируемых условиях так, что в одном литре содержалось 0,5 г биомассы с титром 2,1 х 10⁹ кл/г. Этой суспензией обработали первый пруд площадью 0,2 га. Для обработки второго пруда площадью 0,5 га суспензию препарата культивировали в течение 24 ч с добавлением 15-20% нефтесубстрата (пленка нефти вместе с приповерхностным слоем воды из пруда). В итоге титр увеличился до 1,8 х 10¹⁵ кл/г. Обработку осуществляли распылительным способом.

На первом пруде процесс биодеструкции длился 65 сут. Необходимо отметить, что применяли повторную обработку объекта рабочим раствором препарата. Деструкция углеводородов нефти составила 62-64%. Естественный вид пруд приобрел в течение весенне-летнего периода.

На втором пруде уже через сутки наблюдалось преобразование нефтяной пленки в бурую пенообразную массу. В течение 15 сут поверхность и береговая линия, включая водную растительность, полностью очистилась от нефтепродуктов. Деструкция углеводородов нефти составила 83-85%. В донных отложениях остаточных углеводородов нефти не наблюдалось. В течение 20 сут водоем приобрел свой естественный вид, визуально и по результатам проб никаких отклонений от нормы не наблюдалось.

Пример 6. На нефтешламовом амбаре площадью около 10 м² был проведен эксперимент по переносу препарата, предварительно экспонированного на нефтесубстрате части загрязненного участка на его оставшуюся часть. Для этого поверхность амбара была разделена на три участка площадью 2, 6 и 2 м² каждый. На один из участков площадью 2 м² было нанесено 12 л суспензии препарата, полученной общепринятым методом. Через двое суток верхний, уже частично разжиженный слой нефтесубстрата этого участка, был перенесен на участок площадью 6 м². Одновременно с этим на оставшийся участок площадью 2 м² было нанесено 12 л суспензии аналогичного препарата. Через 27 сут деструкция углеводородов нефти на этом участке составила 45- 47%. В то же время деструкция на участке площадью 6 м² была равной 78-80%.

Описанный вариант способа особенно пригоден для ликвидации масштабных почвенных нефтезагрязнений с одинаковым или близким фракционным составом углеводородов по всей площади загрязнения. Время экспонирования составляет при этом, как правило, от 1 до 4 сут, поскольку после этого в большинстве случаев начинается снижение активности участка, где осуществляется экспонирование, в течение которого происходит культивирование углеводородокисляющих микроорганизмов препарата на нефтесубстрате, на весь участок требуемого эффекта не достигается.

Пример 1. Для очистки почвенного загрязнения площадью 2 м² аналогичного аварийному выбросу нефти со сверхвысокой степенью загрязнения (5 кг нефти на 1 м² ) его разделили на 2 участка площадью по 1 м² каждый. Участки обработали распылительным нанесением раствора препарата с добавлением семян тест-культур: первый участок - раствором с титром 1,32 х 10¹¹ кл/г; второй участок - раствором с титром 1,57 х 10¹⁶ кл/г, увеличенным в результате культивирования микроорганизмов препарата в присутствии нефтесубстрата данного загрязнения.

Отбор проб почвы для анализа осуществлялся с интервалами в 7 сут на протяжении 30 сут. По истечении этого времени на первом участке наблюдалась слабая растительность, деструкция нефти составила 65-70%. На втором участке в течение первый 7 сут деструкция осуществилась на 63-67%. На 14 сут появились всходы тест-культуры, на 30 сут наблюдался рост тест-культуры с характерными признаками роста на экологически здоровой почве, богатой органическими удобрениями. Деструкция углеводородов нефти составила 87-89%.

Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает более полную очистку водоемов и почв от нефтяных загрязнений и способствует при этом нормализации микро- и макрофлоры загрязненного участка, то есть является экологически корректным. Экономический эффект от использования способа значительно превышает затраты на культивирование микроорганизмов препарата перед его нанесением на нефтесубстрат.

Изобретение относится к способам ликвидации нефтяных загрязнений биологическими методами в местах разливов нефти и нефтепродуктов при их добыче, транспортировке, хранении и использовании, в том числе для ликвидации крупных скоплений нефти и нефтепродуктов в углублениях земной поверхности, превратившихся в течение времени в плотную битумоподобную массу. Способ предусматривает нанесение препарата углеводородокислящих микроорганизмов на нефтесубстрат загрязненного участка. Перед нанесением микроорганизмы препарата культивируют в среде, содержащей нефтесубстрат загрязненного участка. Причем нефтесубстрат берут в количестве, которое обеспечивает симбиотический рост углеводородокисляющих микроорганизмов препарата и нефтесубстрата. Наличие симбиотического роста легко определяется в процессе культивирования общеизвестными экспресс-методами. Способ обеспечивает повышение активности углеводородокисляющих микроорганизмов препарата и нефтесубстрата и их конкурентоспособности по отношению к тем микроорганизмам нефтесубстрата, которые не являются углеводородокисляющими. Способ обеспечивает более полную очистку водоемов и почв от нефтяных загрязнений и нормализует микрои макрофлору загрязненного участка. 3 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ очистки водоемов и почв от нефтяных загрязнений, предусматривающий нанесение препарата углеводородокисляющих микроорганизмов на нефтесубстрат загрязненного участка, отличающийся тем, что микроорганизмы препарата перед упомянутым нанесением культивируют в среде, содержащей нефтесубстрат загрязненного участка, взятый в количестве, обеспечивающем симбиотический рост углеводородокисляющих микроорганизмов препарата и нефтесубстрата загрязненного участка. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что культивирование прекращают до наступления лаг-фазы роста углеводородокисляющих микроорганизмов препарата и нефтесубстрата загрязненного участка. 3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что культивирование осуществляют глубинным методом в течение 2 24 ч при доле нефтесубстрата в массе культивационной среды 1 50%
4. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что культивирование осуществляют путем нанесения препарата на нефтесубстрат части загрязненного участка с экспонированием в течение 1 4 суток.