СПОСОБ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ ГРУНТА И ВОДЫ ОТ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ АЛИФАТИЧЕСКОГО, КАРБОЦИКЛИЧЕСКОГО И ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКОГО РЯДОВ И ИХ СМЕСЕЙ ПРОИЗВОЛЬНОГО СОСТАВА Российский патент 2008 года по МПК B09C1/10 C02F3/34 C02F101/32 

Изобретение относится к способам очистки грунта, воды, почвы, плотных или текучих отходов производства от загрязняющих органических веществ различного состава с применением микроорганизмов.

Основная масса технических веществ, используемых в практике, относится к веществам, имеющим класс опасности 1-4. Значительное количество органических веществ хоронят на полигонах токсичных отходов и в отстойниках промышленных предприятий. Такого рода утилизация не решает проблему безопасности природных экосистем, так как возможен вынос органических веществ грунтовыми водами либо в виде испарений на прилегающую территорию. Кроме того, возможны аварийные промышленные утечки.

Одним из методов быстрой и эффективной переработки токсичных веществ в нетоксичные является биологическая детоксикация загрязняющих органических веществ путем утилизации их микроорганизмами.

Известен способ биологической утилизации гетероциклических и ароматических соединений по патенту РФ №2216524 [1]. Для проведения работ используют штамм микроорганизмов вида Bacillus licheniformis LCM2, способный трансформировать загрязняющие органические вещества, содержащие заместители: -NO₂, -ОН, -СООН, Cl, NH₂. В известном способе нитрогруппы, содержащиеся в загрязнителях, трансформируются в аминогруппы. К недостаткам способа относится довольно ограниченный перечень усвояемых микроорганизмами веществ. Биоразложение остается незавершенным. Использование конкретного штамма осложняет проведение работ на фоне естественной микрофлоры, содержащейся в природных водоемах и грунтах. Внесение специализированного штамма в больших объемах в природную среду может привести к непредсказуемым экологическим последствиям.

Известен способ очистки воды и почвы от нефти и нефтепродуктов по патенту РФ №2057724 [2]. В способе используется аборигенная культура, позволяющая проводить полную утилизацию загрязняющих углеводородов до конечных продуктов - углекислого газа и воды. Использование аборигенной культуры микроорганизмов делает способ экологически чистым. Способ выбран за прототип.

К недостаткам способа-прототипа относится ограниченный перечень утилизируемых органических веществ, представленных углеводородами. Способ работает в ограниченном интервале температурных, кислотных параметров, а также соле-, водо- и кислородосодержания в очищаемой среде. Перечень питающих минеральных добавок также ограничен и представлен только минеральными удобрениями.

Технической задачей изобретения является разработка способа биологической утилизации широкого спектра загрязняющих органических веществ, охватывающего соединения алифатического, карбоциклического, гетероциклического рядов и их производных, как индивидуальных, так и смесей произвольного состава, с использованием аборигенного консорциума микроорганизмов-деструкторов. Консорциум не должен содержать патогенных представителей и должен самостоятельно обеспечивать себя микро- и макроэлементами путем извлечения их самими микроорганизмами из утилизируемых веществ. Вносимые в очищаемую среду микроорганизмы должны быть адаптированы друг к другу. Перечень добавок, активирующих утилизацию, должен быть максимально расширен. Длительность очистки должна быть регулируемой. Конечные продукты утилизации должны иметь класс опасности не ниже 5.

Поставленная комплексная техническая задача решается тем, что в способе биологической очистки среды от загрязняющих органических веществ, включающем определение количественного содержания загрязнителей, внесение аборигенных микроорганизмов и питающих добавок, содержащих азот, фосфор, калий, магний, описанные выше микроорганизмы селектируют по признаку наибольшей скорости биологической утилизации загрязнителей, относящихся к алифатическим, карбоциклическим и гетероциклическим рядам, вносят их в загрязненную среду в количестве от 0,001 до 30 кг биомассы на 1 м³ очищаемой среды, в добавки минерального или биогенного происхождения дополнительно включают серу при соотношении компонентов N:Р:К:Mg:S=(5-10):(1-5):(1-5):(0,01-1):(0,001-3) и вносят их в количестве 1×10^-3-50 кг на 1 м³ очищаемой среды, добавляют активирующие деятельность микроорганизмов микроэлементы, после чего подвергают упомянутые органические соединения биологической утилизации при температуре 0-45°С, обеспечивая при этом эффективные для деятельности микроорганизмов концентрацию загрязняющих органических веществ и физико-химические характеристики очищаемой среды. Скорость утилизации загрязняющих органических веществ и конечное содержание биомассы микроорганизмов регулируют в соответствии с экологическими требованиями, изменяя кислотность очищаемой среды, дозировку питающих добавок и активирующих микроэлементов.

Применение консорциума микроорганизмов, использующих загрязняющие органические вещества в качестве основного продукта жизнедеятельности, поддержание эффективной концентрации загрязняющих органических веществ, создание благоприятных физико-химических характеристик очищаемой среды решает поставленную задачу, обеспечивает полное усвоение загрязнений микроорганизмами и перевод их в нетоксичную для растений и животных форму. Если скорость утилизации большая, происходит интенсивное наращивание биомассы и существует вероятность нарушения природного микробиологического баланса среды, т.е. микроорганизмы рассматриваются как фактор вторичного загрязнения, если скорость утилизации мала и экспоненциально затухает, микробиологический состав нормализуется до фонового, но сам процесс очистки неоправданно затягивается. Применение признака регулирования скорости утилизации и конечного содержания биомассы микроорганизмов обеспечивает рекультивирующий эффект способа очистки по изобретению: конечное содержание биомассы микроорганизмов-утилизаторов приближают к фоновому, характерному для соседних участков, не подвергавшихся загрязнению.

Кроме того, с целью сохранения природного микробиологического баланса и предотвращения непредвиденных экологических последствий для данного региона в способе по изобретению используются только аборигенные микроорганизмы. Под аборигенными микроорганизмами, как и в прототипе, понимаются микроорганизмы, постоянно присутствующие в воде и грунте данного региона, т.е. обитающие в естественных условиях в пределах региона, где выполняются работы по утилизации загрязняющих органических веществ. В процессе решения поставленной задачи выделено и использовано несколько сотен родов микроорганизмов, обладающих различной активностью в отношении соединений алифатического, карбоциклического и гетероциклического рядов. Для сибирского региона наиболее характерны микроорганизмы следующих родов: Р. Methanomonas; P. Desulfovibrio; P. Micrococcaceae; P Sarcina; P. Achromobacter; P. Bacterium; P. Bacillus, P. Zygogaccharomyces. Некоторые виды данных родов способны утилизировать в очищаемой среде одно- и многоатомные спирты, карбоновые кислоты, углеводороды, как линейные, так и разветвленные, но они малоактивны в отношении полиоксибензолов и галоидопроизводных. При наличии последних необходимо культивировать в консорциуме микроорганизмов представителей рода Р. Pseudomonas. Данный список не является исчерпывающим.

Комбинируя видовой состав, можно конструировать консорциумы, способные утилизировать различные загрязняющие органические соединения алифатического, карбоциклического и гетероциклического рядов или их смеси. Микроорганизмы, необходимые для осуществления способа, получают из природной среды по специальным схемам селекции.

Селекция по признаку наибольшей скорости утилизации проводится в автоматическом режиме с применением проточных систем культивирования. Система работает в режиме обратной связи, т.е. микроорганизмы, растущие в ферментере, изменяют некоторый контролируемый признак среды, что, в свою очередь, влияет на режим культивирования. В зависимости от физико-химических свойств загрязнителей используются следующие системы: оксистат, рН-стат, турбидостат (оптическая плотность, прозрачность за счет концентрации микроорганизмов). В подаваемых в ферментер средах в качестве единственного источника углерода и энергии выступают загрязняющие органические вещества (соединения алифатического, карбоциклического и гетероциклического рядов). В подаваемой среде также обеспечивают набор необходимых микроорганизмам макро- и микроэлементов. В процессе селекции среду моделируют исходя из анализа загрязненного грунта/воды на территории будущей работы и варьируют по показателям рН, температуры и др. в соответствии с планом селекции требуемого консорциума. Особенностью культивирования в вышеописанных проточных системах является то, что в ферментере остаются виды, имеющие наибольшую скорость размножения в подлежащих очистке грунте/воде. Виды, имеющие меньшую скорость размножения, вымываются из ферментера.

Такие схемы исключают операции с применением мутагенов и методов генной инженерии, и получаемая культура является экологически чистой. После утилизации загрязняющих органических веществ видовой состав микрофлоры лишается подпитки и быстро нормализуется на уровне фонового. Для выполнения практических работ выделенные культуры выращиваются до необходимого рабочего объема. Накопление рабочей биомассы осуществляют как в жидкой среде, так и, при необходимости, на твердом пористом носителе.

Способ позволяет утилизировать упомянутые органические соединения как в чистом виде, так и в виде смесей произвольного состава. Широкий спектр активности микроорганизмов по веществам обусловлен тем, что при всем своем разнообразии для органических веществ характерно наличие С-С связей. По этой причине целевой задачей ферментных систем микроорганизмов является разрыв и трансформация углерод-углеродной связи, а также разрыв связи углерод-гетероатом (углерод-кислород, углерод-сера и др.) или трансформация терминальных участков молекулы с последующим их включением в собственный метаболизм, что и достигается в заявляемом способе. Сочетанием заявленных существенных признаков удалось добиться условий, при которых структурные характеристики молекул (линейность, наличие замкнутых циклов, природа включений, наличие боковых цепей) не играют существенной роли, это позволяет микроорганизмам утилизировать упомянутый спектр органических веществ, используя их как единственный источник углерода и энергии, а также как дополнительный источник необходимых для жизнедеятельности макро- и микроэлементов. Выделенный консорциум микроорганизмов состоит из представителей, не представляющих опасности для растений, животных и человека. Оценка опасности проводится в сертифицированных лабораториях санитарно-эпидемиологического и агрономического профиля. К работам допускаются только те консорциумы, в которых не содержатся опасные представители.

Конкретизация заявленных признаков способа биологической очистки грунта и воды позволяет решить ряд частных технических задач, что изложено в зависимых пунктах формулы изобретения. Нами экспериментально определены, по крайней мере, 12 условий, при которых осуществляется наиболее эффективная утилизация органических веществ и их смесей по заявленному способу, а именно для эффективной биологической очистки необходимо обеспечить согласно изобретению следующие условия:

а) необходимо оптимизировать кислотность очищаемого объекта до уровня рН4 - рН9, так как именно в этом интервале селектированные микроорганизмы сохраняют наибольшую активность;

б) необходимо поддерживать оптимальное содержание кислорода в рабочей зоне, обеспечив расход 1-6 массовых частей кислорода на одну массовую часть органических соединений, так как именно в этом интервале микроорганизмы находятся в режиме дыхания, сохраняют наибольшую активность и обеспечивают полную утилизацию органических веществ. При концентрации кислорода ниже 2×10^-3 кг/м³ перестает работать дыхательная система клеток, при концентрации выше 3×10^-1 кг/м³ начинается кислородное отравление;

в) необходимо обеспечить процесс биосинтеза источниками макро- и микроэлементов (добавками). Добавки вносят в виде минеральных удобрений и/или в виде биогенных добавок (навоз, гуано, плодородный ил) в дозах 1×10^-3 - 50 кг действующего элемента на 1 м³ очищаемой среды, причем необходимо дополнительно включить серу при соотношении компонентов N:Р:К:Mg:S=5-10:1-5:1-5:0,01-1:0,001-3;

г) при низком содержании в очищаемой среде микроэлементов железа, цинка, марганца, молибдена, кобальта, бора, ниже 10^-4 кг/м³, эти вещества необходимо дополнительно ввести в среду, обеспечивая их концентрацию в диапазоне 10^-4-10^-2 кг/м³. Эффективное массовое соотношение Fe:Zn:Mn:Мо:Со:В составляет 1-6:0,5-3:0,1-2:0,2-1:0,1-1:0,1-1;

д) необходимо обеспечить присутствие в очищаемой среде физиологически доступной воды, способной переходить из окружающей среды в биологическую клетку. При обезвоживании клеток приостанавливаются биологические процессы. Посредством полива или орошения содержание физиологически доступной воды должно быть доведено до уровня не менее 10% от массы очищаемой среды. Дальнейшее увеличение влагосодержания диктуется концентрацией загрязняющих органических веществ: количество воды должно быть в 4-10 раз больше, чем количество загрязняющих органических веществ в очищаемой среде. Это обусловлено тем, что для полной биологической утилизации одной массовой части органического вещества требуется в среднем четыре массовых частей воды. По мере разбавления очищаемой среды водой затрудняется перенос загрязняющих органических веществ в клетку. Наконец, при степенях разбавления 10⁸ транспорт веществ в направлении среда - клетка становится невозможным, что и определяет верхнюю степень разбавления.

Некоторые типы загрязненных грунтов (песок, гравий, щебень) слабо удерживают воду. Для удержания влаги в грунтах с влагоемкостью менее 100 кг воды на 1 м³ используют аккумуляторы влаги, например торф. В данном случае торф служит как твердым наполнителем, снижающим концентрацию загрязняющих органических веществ, так и аккумулятором физиологически доступной воды;

е) необходимо регулировать степень засоленности очищаемой среды. Микроорганизмы сохраняют активность при содержании солей щелочных и щелочноземельных металлов (Na, К, Mg, Ca) в виде растворимых хлоридов, сульфатов, карбонатов до уровня 50 кг на 1 м³. При более высокой засоленности необходимо разбавлять очищаемую среду пресной водой, твердым наполнителем или проводить дренаж территории для снижения осмотического прессинга;

ж) необходимо регулировать содержание в очищаемой среде подвижных ионов тяжелых металлов, являющихся ингибиторами биологических процессов. Допустимое содержание титана, ванадия, хрома трехвалентного, марганца двухвалентного, железа, кобальта, никеля, цинка, циркония, молибдена - до 5 кг/м³, содержание хрома шестивалентного, серебра, кадмия, меди, ртути - до 4×10^-1 кг/м³. При превышении указанных норм проводят работы по переводу подвижных ионов в неподвижную форму, либо вымывают их пресной водой, либо проводят фиторекультивацию с переходом тяжелых металлов в биомассу растений;

з) при реализации способа по изобретению необходимо оптимизировать степень загрязнения очищаемой среды органическими веществами. Микрофлора сохраняет активность при содержании органических веществ до 40 кг на 1 м очищаемой среды. Такие вещества, как углеводы и углеводороды, обладают меньшим ингибирующим действием, утилизация возможна при содержании этих веществ до 400 кг на 1 м³ очищаемой среды;

и) установлена минимальная концентрация вносимых микроорганизмов, обеспечивающая устойчивый процесс утилизации органических веществ, которая составляет 0,001 кг на 1 м³. По мере увеличения содержания микроорганизмов скорость процесса утилизации возрастает, однако, до определенного уровня. По указанным причинам микроорганизмы-утилизаторы необходимо вносить в очищаемый объект в дозах 0,001-30 кг на 1 м³ очищаемой среды;

к) микрофлора сохраняет активность при температуре 0-45°С. При температуре ниже 0°С микроорганизмы переходят в состояние анабиоза. При повышении температуры происходит переход их в активное состояние, а при температуре выше 45°С происходит термическая деструкция и вымирание микроорганизмов. Устойчивость микроорганизмов к низким температурам вплоть до абсолютного нуля позволяет проводить работы по внесению микроорганизмов на загрязненные участки при отрицательных температурах. Одновременно с микроорганизмами вносится комплекс добавок. Зимняя или предзимняя обработка участков обеспечивает значительный выигрыш во времени при рекультивации открытых территорий. Кроме того, обработка в зимнее время позволяет экономить на вездеходной технике при обработке труднопроходимых участков;

л) при микробиологической обработке загрязненных органическими веществами грунтов с низкосорбирующими свойствами (песок, гравий, щебень), а также при обработке грунтов, загрязненных гидрофобными органическими веществами (нефтепродукты, жиры и др.), к вносимой микрофлоре необходимо добавлять поверхностно-активные вещества в виде легкоразлагаемых соединений для обеспечения смачиваемости, например натриевые, калиевые соли стеариновой, олеиновой, пальмитиновой кислот в дозах 10^-2-10 кг на 1 м³ очищаемой среды. Для предотвращения выноса добавок проточной водой целесообразно вносить минеральные добавки на пористом носителе. Аналогично вносят и микроорганизмы;

м) если в очищаемой среде присутствуют токсичные вещества, препятствующие развитию микроорганизмов, необходимо провести детоксикацию этих веществ.

Дозировкой вносимых добавок регулируют длительность процесса утилизации загрязняющих органических веществ. При минимальном уровне загрязнения и максимальной дозе вносимых питающих добавок процесс длится от нескольких часов до 3-х месяцев. При максимальной концентрации загрязняющих органических веществ и минимальных дозах добавок процесс длится до 5 лет. Валовой выход биомассы микроорганизмов после утилизации загрязняющих органических веществ, диктуемый экологическими требованиями, регулируют дозировкой указанных выше добавок и оптимизацией показателя рН.

Пример 1. Задача А: накопитель жидких отходов нефтехимического комбината. Объем 10⁴ м³, глубина до 6 м. Раствор имеет реакцию с рН 3,5. Вода загрязнена следующими веществами (в кг/м³): метанол 8,7×10^-2, бензол 2,12×10^-2, толуол 1,47×10^-2, нефтепродукты 37,7×10^-3. Толщина донных отложений составляет 0,5-1 м. Содержание загрязняющих органических веществ в донных отложениях в 2-3 раза выше, чем в жидкой среде. Решение. Для оптимизации кислотности на уровне рН 7 добавлен известняк СаСО₃. Аэрацию водоема и взмучивание донных отложений проводили с использованием плавающего аэратора. В водоем внесены (в кг/м³): нитроаммофоска 10^-2, калимагнезия 10^-3, микроэлементы в виде цеолитов 2×10^-2, микрофлора в дозе 5×10^-3 кг/м³. Через 38 суток при температуре воды 10-15°С содержание загрязняющих органических веществ снизилось до уровня ПДК.

Задача Б: буровой амбар в болотистой местности площадью 2400 м² заполнен буровыми отходами, содержащими присадки органической природы. Очищаемая среда защелачена с рН 9,9. Решение. Для нейтрализации щелочи использовали кислый торф с верхового болота. В амбар внесено 11 тонн торфа с кислотностью рН 2,8-3,1. После нейтрализации щелочи уровень рН снижен до 7,3, что достаточно для проведения работ по биологической утилизации органических веществ, входящих в состав буровых присадок.

Задача В. Емкость наполнена водным раствором масляной, молочной, валериановой кислот, кислотность рН 3,2. Нейтрализация щелочами (NaOH, КОН) экономически не целесообразна. Использование Са(ОН)₂ может привести к образованию нерастворимого осадка. Решение: проводится электролиз раствора смеси органических кислот. В результате электролиза (реакция Кольбе) образуется смесь углеводородов с нейтральным уровнем рН. Углеводороды нерастворимы в воде и всплывают на поверхность. При этом достигаются следующие положительные эффекты:

- оптимизируется кислотность;

- объем очищаемой среды освобождается от растворенных органических веществ;

- углеводороды полностью обеспечиваются кислородом за счет естественной аэрации.

Пример 2.

Задача А: Буровой амбар с загрязненной водой и донными отложениями. Содержание загрязняющих органических веществ составляет 6,3 кг/м³. Засоленность 9 кг/м³, рН 7,3, температура 10-12°С в придонной части и 20-22°С на поверхности. Содержание кислорода в придонной части понижено. Среда обеднена микроэлементами молибдена и марганца. Решение: в центральной части амбара установлен аэратор, применяемый для рыбохозяйственных работ, с подачей воздуха 200 м³/ч, что обеспечивает концентрацию кислорода 6×10^-3 кг/м³. Для очистки водоема внесена в жидком виде культура микроорганизмов с широким спектром активности в дозе 10^-2 кг/м³. Недостающие микроэлементы внесены в виде MnSO₄ и Na₂MoO₄ в дозе по 10^-3 кг на 1 м³, макроэлементы в дозе 10^-2 кг на 1 м³ очищаемой среды. Через 6 суток произошла утилизация органических веществ до уровня ПДК.

Задача Б: Емкость объемом 1 м³ заполнена раствором загрязняющих веществ: этиловый спирт 1,2 кг, глицерин 0,9 кг, ацетат натрия 0,4 кг, лактат натрия 0,3 кг, малонат натрия 0,6 кг, сукцинат натрия 0,07 кг, рН раствора 6,8. Решение: для утилизации веществ использована культура с преобладанием микроорганизмов вида Zygogaccharomyces lactis. Культура введена в дозе 0,1 кг на м³, добавлены минеральные соли в количестве 1 кг действующих элементов. Источники макроэлементов: азота - NH₄Cl; фосфора - NaH₂PO₄; калия - KCl; магния - MgCl₂; серы - Na₂SO₄. В результате биологической деструкции содержание органических веществ снижено до уровня ПДК природного водоема.

Пример 3. Задача А: смесь отходов нефтехимического производства. Состав отходов: нефтешлам с содержанием углеводородов 820 кг/м³, нафталин 6 кг/м³, толуол 2 кг/м³. Решение: вязкие текучие отходы с целью разбавления и улучшения механических свойств смешаны с твердым наполнителем (землей) в отношении 1:4. Добавлена смесь минеральных удобрений в количестве 40 кг и микроэлементов 0,002 кг на 1 т органического вещества. Микроорганизмы внесены в количестве 0,2 кг/м³. Смесь рассеяна слоем 0,1-0,2 м на отведенной площадке на гидроизолирующую подложку. Для обеспечения аэрации смесь рыхлилась и поливалась водой 1 раз через двое суток. За счет добавки твердого наполнителя и рыхления обеспечивался приток кислорода в рабочую зону. Через 66 суток при температуре 18-26°С смесь загрязняющих органических веществ полностью утилизирована.

Задача Б: отходы деревообрабатывающей промышленности: древесная кора, опилки. По химическому составу очищаемый объект состоит из целлюлозы и лигнина. Решение: древесные отходы смешивают с землей в отношении 1:2. К смеси добавляют макро и микроэлементы в виде куриного помета. Состав добавок: азот - 2,1%, фосфор - 0,8%, калий - 1,1%, магний - 0,3%, сера - 0,08%, микроэлементы - 0,01%. Внесен помет из расчета 12 кг/т органического вещества и микроорганизмы из расчета 0,3 кг/м³ смеси. Смесь рассыпана слоем толщиной 10-20 см и полита водой для обеспечения влажности более 20%. В режиме перемешивания и полива через 96 суток при температуре 16-21°С произошла полная утилизация органических веществ.

Задача В: серая лесная почва, загрязненная следующими веществами:

- углеводороды: нефть, бензин, дизельное топливо, смазочные масла, мазут;

- спирты: пропиловый, бутиловый, амиловый, этиленгликоль;

- кетоны: ацетон;

- альдегид: формальдегид;

- моно- и полициклические арены: фенол, толуол, нафталин;

- циклический спирт: циклогексанол;

- диэфиры: диоксан, моноэтиловый эфир этиленгликоля;

- сложные эфиры: изоамилацетат, этилацетат.

Концентрация каждого вещества составляла 0,5 кг/м³, в общей сложности 4 кг на 1 м³. Решение: внесено 0,4 кг макроэлементов и 10^-3 кг микроэлементов на 1 м³. Внесены микроорганизмы 10^-2 кг/м³. Аэрация достигалась путем вспашки за счет свободной диффузии воздуха. Через 18 суток при температуре 18-22°С концентрация загрязнителей снизилась до уровня ПДК.

Пример 4. При недостатке естественной влаги проводят полив очищаемой территории. Для этой цели используют обычные дождевальные устройства, применяемые в сельском хозяйстве. Излишнее добавление пресной воды препятствует доступу кислорода, поэтому массовое содержание влаги в почве и глине не должно превышать 40%, в торфе до 90%, в песке до 15%. Хороший эффект дает внесение влагоемкого наполнителя: увлажненный торф с содержанием воды 40-90% смешивают с грунтом в количестве 5-15% от массы грунта, содержащего загрязняющие органические вещества. Перед этим в торф могут быть внесены микроорганизмы и минеральные добавки согласно изобретению.

Пример 5. Малосорбирующие вещества.

Отличительным свойством малосорбирующих веществ (песок, гравий, щебень) является быстрое вымывание внесенных веществ дождевыми и грунтовыми водами. Для фиксации микроорганизмов их иммобилизируют на пористом носителе, например торфе. Для снижения эффекта выноса минеральных добавок их вносят в виде гранул, обеспечивая длительное (0,5-2 года) действие очищающих микроорганизмов. Для улучшения размножения микроорганизмов в очищаемую среду вносят раствор легкоразлагаемого поверхностно-активного вещества, например хозяйственное мыло. Если утилизируемые органические вещества усваиваются гифообразующими грибками, то их внесение создает дополнительный фиксирующий эффект, так как гифы прорастают между минеральными частицами и фиксируют их в очищаемой зоне.

Задача: песчаная обваловка бурового амбара сильно загрязнена нефтью (110 кг/м³). Решение: внутренние склоны песчаной обваловки обработаны комплексным торфогранулированным удобрением в количестве 1 кг/м³. В грунт внесена нефтеусваивающая культура в количестве 0,1 кг/м³ на торфяном носителе. Для фиксации микроорганизмов добавлены ПАВ в виде 0,5 кг мыла на 1 м³ грунта. Проведена вспашка мотоблоком на глубину 0,2 м. Через 30 суток содержание нефти уменьшилось до 15 кг/м³.

Пример 6. На опытном полигоне приготовлена смесь органических веществ с водой. Объем смеси 2 м³. Органические примеси в виде раствора и взвеси: формальдегид, метиловый спирт, ацетон, этилацетат, этиленгликоль, фенол, пирогаллол, нефть. Концентрация каждого из перечисленных органических веществ составляет 2 кг/м³, общее содержание органических веществ в смеси 32 кг/м³. Кислотность смеси рН 6,5. В состав смеси входят представители следующих групп органических веществ: альдегидов, одноатомных спиртов, кетонов, сложных эфиров, двухатомных спиртов, оксибензолов, углеводородов. Формальдегид при нормальных условиях является газообразным веществом, и существует опасность выхода его из раствора в атмосферу с загрязнением воздуха.

Решение: на первом этапе проводят фиксацию в растворе наиболее летучего компонента смеси - формальдегида, для чего необходимо перевести формальдегид в нелетучее соединение. Использовано два способа химического связывания формальдегида. В одной группе опытов проводили реакцию альдольной конденсации, за счет которой при рН 8 - рН 12 происходит трансформация формальдегида в смесь нелетучих углеводов. После проведения реакции альдольной конденсации избыток щелочи нейтрализовали раствором соляной кислоты до кислотности рН 7. Во второй группе опытов проводили реакцию между формальдегидом и ионами NH₄ ⁺. Ионы NH₄ ⁺ вводили в виде соли аммония - NH₄NO₃. В результате реакции получился нелетучий гексаметилентетрамин - уротропин. При взаимодействии раствора формальдегида с нитратом аммония происходит закисление раствора из-за образования азотной кислоты. Азотную кислоту нейтрализовали карбонатом натрия до рН 7. Предварительная обработка формальдегида решает две проблемы: ликвидирует летучесть вещества и снижает его токсичность.

Внесены добавки в количестве 0,42 кг/м³. Затем вносят микроорганизмы, утилизирующие перечисленные выше органические вещества, в количестве 4×10^-1 кг/м³. Утилизация проводится в условиях постоянного перемешивания при свободном доступе атмосферного воздуха, при температуре 20-23°С. Через 120 часов анализ показывает полную деструкцию загрязняющих органических веществ.

Пример 7. Очищаемая среда содержит токсичные соединения, относящиеся к группе боевых отравляющих веществ и препятствующие работе микроорганизмов. Работы с данными веществами проводятся с соблюдением особых мер предосторожности. Однако, если на первом этапе провести детоксикацию отравляющих веществ, последующие этапы биологической утилизации можно осуществлять в описанном выше режиме.

Задача А. Зарин в водном растворе с концентрацией 2×10^-1 кг/м³. Решение: в раствор зарина вносят известковое молоко, представляющее взвесь Ca(OH)₂ в водном растворе. Кислотность доводится и поддерживается на уровне рН 9 - рН 12. При температуре 20-25°С за 1-60 минут зарин подвергается полному необратимому щелочному гидролизу с образованием нетоксичных продуктов: кальциевой соли метилфосфорной кислоты, изопропилового спирта и фтористого кальция. Продукты гидролиза подвергаются биологической утилизации в обычном режиме. Использование Са(ОН)₂ в качестве щелочного агента обеспечивает экологическую чистоту проводимых работ: образующийся фторид кальция практически нерастворим в воде, ион фтора переходит в неподвижную форму.

Задача Б. Иприт в виде водного раствора с содержанием его 3×10^-1 кг/м³. Решение: в присутствии других органических веществ в количестве, более чем в 10 раз превышающем содержание иприта, детоксикацию проводят с участием тиосульфата натрия. В раствор вносится тиосульфат натрия Na₂S₂O₃ в количестве 7×10^-1 кг/м³. Серной кислотой доводят рН до рН 4 - рН 3. Через 30-60 минут при 20°С завершается полное сульфирование иприта с образованием нетоксичных продуктов, которые одновременно являются источником серы. Если содержание загрязняющих органических веществ не превышает содержание иприта в 10 раз, детоксикация иприта проводится хлорной известью (10 массовых частей на одну массовую часть иприта).

Задача В. Ботулинические токсины. В арсенал боевых отравляющих веществ включены токсины биологического происхождения, в том числе продукты деятельности бактерий Clostridium botulinum - ботулотоксины А, В, Е, F. Эти вещества имеют белковую природу, поэтому их детоксикация возможна при воздействии физического фактора - нагрева. Так, при температуре 80-100°С через 15-60 минут наступает полная детоксикация ботулотоксинов. В роли химического детоксиканта используют раствор формальдегида 1-40%. Через 1-60 минут завершается полная детоксикация веществ. Продукты физической и химической детоксикаций подвергаются биологической утилизации в обычном режиме (примеры 1, 2, 5).

Пример 8. Оптически активные вещества. Известно несколько тысяч таких веществ D и L форм. При химическом синтезе получается смесь, где содержание D и L форм составляет по 50% каждой. Биологические системы оптически асимметричны. Так, например, они способны утилизировать только D формы углеводов и L формы аминокислот. По этой причине недоступные вещества следует сделать доступными для микроорганизмов.

Задача. Раствор L формы глюкозы с концентрацией 1 кг/м³. Решение: раствор обрабатывают озоном в количестве 0,5 кг/м³. В результате незавершенного окисления происходит разрыв молекулы L-глюкозы на фрагменты в виде оптически неактивных спиртов, альдегидов, карбоновых кислот. Полученные продукты окисления подвергаются биологической утилизации по обычной схеме.

Пример 9. Задача: почва загрязнена нефтепродуктами в концентрации 160-220 кг/м³ грунта и тяжелыми металлами в виде хлоридов и сульфатов: медь - 0,12 кг/м³, никель - 3,2 кг/м³, цинк - 4,1 кг/м³ в пересчете на металл. Решение: на первом этапе снижается концентрация подвижных ионов тяжелых металлов. Для этой цели в грунт вносятся следующие вещества в виде 10-15% раствора в воде: диаммонийфосфат 5 кг/м³ и калий углекислый 2 кг/м³. После полива загрязненный слой почвы перепахивают с целью перемешивания. Происходит реакция между ионами тяжелых металлов и ионами СО₃ ^-2 и РО₄ ^-3 с образованием малорастворимых и малоподвижных карбонатов и фосфатов тяжелых металлов. Эффективная концентрация тяжелых металлов в виде подвижных форм снижается до требуемого уровня. Затем в почву вносят минеральные удобрения: аммиачная селитра 5 кг, суперфосфат 2 кг, микроэлементы 0,1 кг/м³ и вторично перепахивают. Через 40 суток содержание нефти понизилось до уровня 2-4 кг/м³.

Пример 10. Органические вещества, утилизируемые микроорганизмами, в конечном итоге превращаются в их биомассу микроорганизмов-утилизаторов. В ряде случаев биомасса микроорганизмов рассматривается как фактор вторичного загрязнения, поэтому их выход должен быть минимальным. В процессе утилизации органических веществ согласно изобретению можно регулировать экологические последствия работ, управляя конечным выходом биомассы за счет изменения рН фактора, иных разобщителей фосфолирования и других агентов. Снижение выхода происходит при следующих условиях: утилизацию проводят в кислой среде при рН 4 - рН 6 с добавлением, например, 2,4 динитрофенола в количестве 1-10 г на 1 м³ очищаемой среды. В этих условиях снижается эффективность биосинтеза за счет возрастающих энергетических расходов на поддержание трансмембранного потенциала и, следовательно, выход биомассы снижается.

Пример 11. Длительность процесса утилизации органических веществ может быть регулируема. Предлагаются следующие решения.

Задача А. Участок на границе Полярного круга загрязнен нефтью. Содержание нефти в грунте 123-186 кг на 1 т среды. Продолжительность периода положительной температуры, при котором проявляется активность микроорганизмов, составляет 20-30 суток. По этой причине необходимо ускорить очистку территории. Решение. Процесс очистки ускоряют введением минеральных добавок в повышенном количестве 10 кг на м³ очищаемой среды, а микроорганизмов - 6 кг на 1 т очищаемой среды. Через 15-20 суток содержание нефти снизилось до безопасного уровня.

Задача Б. Территория, заросшая кустарником, обработана арборицидом 2,4Д в дозе 8 кг на 1 гектар (5-10 кг на 1 т среды). Требуется, чтобы содержание препарата постепенно снижалась до уровня ПДК. Решение. Внесено минимальное количество микроорганизмов, утилизирующих 2,4Д: 10^-5 кг на 1 т очищаемой среды, а минеральных добавок 10^-2 кг. К началу пастбищного периода содержание 2,4Д снизилось до ПДК.

Использованные источники

1. Патент РФ №2216524. «Способ удаления азотсодержащих гетероциклических или ароматических соединений из стоков», 2003.11.20.

2. Патент РФ №2057724. «Способ очистки воды и почвы от загрязнения нефтью и нефтепродуктами», 1996.04.10 (прототип).

Изобретение относится к способам очистки воды, почвы и подобных сред от органических веществ-загрязнителей с применением микроорганизмов и может быть использовано в экологии. Для биологической очистки среды используется аборигенный консорциум микроорганизмов широкого спектра активности. Селектированные микроорганизмы вносят в загрязненную среду в количестве 0,001-30 кг/м³, добавляют добавки минерального или биогенного происхождения в количестве 1×10^-3-50 кг/м³ при соотношении компонентов N:P:K:Mg:S=(5-10):(1-5):(1-5):(0,01-1):(0,001-3) и микроэлементы. Органические соединения подвергают утилизации при температуре 0-45°С, обеспечивая эффективные для деятельности микроорганизмов концентрацию загрязнителей и физико-химические характеристики очищаемой среды, такие как кислотность, засоленность, влаго- и кислородосодержание. Технический эффект - полная утилизация соединений алифатического, карбоциклического, гетероциклического рядов и их производных, как индивидуальных, так и смесей, до конечных продуктов - углекислого газа и воды, регулирование скорости утилизации и конечного содержания биомассы вносимых микроорганизмов. 13 з.п. ф-лы.

1. Способ биологической очистки грунта и воды от органических соединений алифатического, карбоциклического и гетероциклического рядов и их смесей произвольного состава, включающий определение количественного содержания загрязняющих органических веществ, внесение в очищаемую среду подвергнутых селекции аборигенных микроорганизмов и питающих добавок, содержащих азот, фосфор, калий, магний, отличающийся тем, что описанные выше микроорганизмы селектируют по признаку наибольшей скорости биологической утилизации упомянутых органических соединений, вносят их в очищаемую среду в количестве от 0,001 до 30 кг биомассы на 1 м³ очищаемой среды, в добавки минерального или биогенного происхождения дополнительно включают серу при соотношении компонентов N:P:K:Mg:S=(5-10):(1-5):(1-5):(0,01-1):(0,001-3) и вносят их в количестве 10^-3-50 кг на 1 м³ очищаемой среды, добавляют активирующие деятельность описанных микроорганизмов микроэлементы, после чего подвергают загрязняющие органические вещества биологической утилизации при температуре 0-45°С, при этом обеспечивают эффективные для деятельности микроорганизмов физико-химические показатели очищаемой среды, а скорость утилизации загрязняющих органических веществ и конечное содержание биомассы микроорганизмов регулируют, изменяя кислотность очищаемой среды и дозировку питающих добавок и активирующих микроэлементов.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при содержании в очищаемой среде углеводов и/или углеводородов выше 400 кг/м³, а других загрязняющих органических веществ выше 40 кг/м³, ее смешивают с пресной водой или твердым наполнителем, например, землей.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что очищаемую среду, засоленную солями щелочных и/или щелочноземельных металлов, разбавляют пресной водой или твердым наполнителем до концентрации упомянутых солей ниже 50 кг/м³.4. Способ по п.1, отличающийся тем, что среду, содержащую соли титана, ванадия, хрома трехвалентного, марганца двухвалентного, железа, кобальта, никеля, цинка, циркония, молибдена, разбавляют пресной водой или твердым наполнителем до концентрации упомянутых солей ниже 5 кг/м, или добавляют вещества, переводящие подвижные ионы перечисленных металлов в нерастворимую форму.5. Способ по п.1, отличающийся тем, что среду, содержащую соли кадмия, серебра, свинца, ртути, меди, хрома шестивалентного, разбавляют пресной водой или твердым наполнителем до содержания упомянутых солей ниже 0,4 кг/м³, или добавляют вещества, переводящие подвижные ионы указанных металлов в нерастворимую форму.6. Способ по п.1, отличающийся тем, что в среду с содержанием кислорода ниже 2·10^-3 кг/м³ вводят газообразный кислород из расчета 1-6 массовых частей кислорода на 1 массовую часть загрязняющих органических веществ, обеспечивая диффузию атмосферного кислорода через поверхность или осуществляя принудительную аэрацию среды кислородсодержащим газом.7. Способ по п.1, отличающийся тем, что массовое содержание физиологически доступной воды в очищаемой среде поддерживают в пределах, в 4-10⁸ раз превышающих содержание загрязняющих органических веществ.8. Способ по п.7, отличающийся тем, что при влагоемкости очищаемой среды менее 100 кг воды на 1 м³ в нее добавляют водосорбирующий твердый наполнитель, например, торф.9. Способ по п.7, отличающийся тем, что в очищаемую среду, содержащую гидрофобные вещества, вносят поверхностно-активные вещества в дозах 0,01-10 кг/м³.10. Способ по п.1, отличающийся тем, что поддерживают кислотность очищаемой среды в диапазоне рН 4-рН 9, добавляя вещества, изменяющие кислотность, и/или используя электролиз очищаемой среды, и/или смешивая среды с различным содержанием ионов водорода.11. Способ по п.1, отличающийся тем, что упомянутые микроорганизмы и добавки вносят в очищаемую среду в любое время года, в том числе при отрицательных температурах.12. Способ по п.1, отличающийся тем, что снижают токсичность высокотоксичных для микроорганизмов веществ, например, боевых отравляющих веществ.13. Способ по п.1, отличающийся тем, что снижают летучесть содержащихся в очищаемой среде летучих веществ, например, формальдегида.14. Способ по п.1, отличающийся тем, что при содержании в очищаемой среде не усвояемых микроорганизмами загрязняющих оптически активных органических веществ L или D формы переводят их в усвояемую соответственно D или L форму, либо переводят их в оптически неактивную форму.