СПОСОБ БИОЛОГИЧЕСКОЙ РЕКУЛЬТИВАЦИИ ПЕРЕУПЛОТНЕННЫХ ПОЧВ, ЗАГРЯЗНЕННЫХ НЕФТЬЮ И НЕФТЕПРОДУКТАМИ Российский патент 2008 года по МПК B09C1/10 C12N1/26 C09K17/00 

Изобретение относится к природоохранным технологиям и может быть использовано для восстановления переуплотненных почв, загрязненных нефтью и нефтепродуктами.

В районах нефтяных месторождений и на территориях, по которым проходят нефтепроводы, происходит загрязнение почв нефтью и нефтепродуктами, приводящее к потере продуктивности земель, а нередко и полной деградации ландшафтов. Все большие масштабы приобретает процесс отторжения земель из сельскохозяйственного использования. Это обусловлено тем, что во время ремонта трубопроводов для перекачивания (транспортирования) жидких, газообразных и других сред предусматривается зона отчуждения шириной 50-150 м для проезда строительной, дорожной и ремонтной техники, а также для складирования материалов различного назначения.

В результате воздействия опор ходовой части тяжелой техники происходит уплотнение грунтов на глубину более 1,0 м, разрушение структурных агрегатов поверхностного слоя, а также загрязнение нефтепродуктами.

В настоящее время наиболее прогрессивной технологией очистки нефтезагрязненных почв считается использование интродуцированных в почву микроорганизмов.

Известны способы очистки нефтезагрязненных почв с использованием микроорганизмов Pscudomonas aeruginoza PAO, Actinomyces flavus, Pseudomonas putida 36 [1, 2, 3].

Недостатком способов является неполное разложение нефти из-за избирательного действия деструкторов на определенные фракции нефтепродуктов. При этом происходит разрушение только верхних слоев загрязнения (0-20 см). Способы не обеспечивают рекультивации почв.

Известен способ очистки почв от нефтепродуктов с помощью консорциума штаммов микроорганизмов-деструкторов, который вносят в почву после вспашки [4].

Однако способ эффективен при поверхностном загрязнении почвы, не более 20%.

Технический результат - разработка эффективного способа биологической рекультивации почв, загрязненных нефтью и нефтепродуктами, в том числе переуплотненных и с высокой степенью загрязнения, путем утилизации донных отложений пресных водоемов (сапропеля).

Технический результат достигается тем, что в способе, предусматривающем двухкратное внесение удобрений на загрязненный нефтью и нефтепродуктами участок, рыхление почвы и внесение водного раствора нефтеразлагающих бактерий, согласно изобретению на загрязненном участке нарезают щели в вертикальном и горизонтальном направлениях и кротовины на глубину 60-80 см, которые заполняют зообактериальным удобрением, полученным замачиванием непродуктивной части растений (например соломы) в речной или прудовой или озерной воде в объемном соотношении 1:130-150 в течение 4-5 дней, повторное внесение удобрения проводят через 5-7 дней, в качестве удобрения используют композицию, полученную путем компостирования сапропеля, навоза и незагрязненного грунта, в качестве нефтеразлагающих бактерий используют штамм бактерий Rhodococcus sp.MFN, выращенный на питательной среде, в которой в качестве источника углерода используют углеводороды, идентифицированные на загрязненном участке, водный раствор бактерий Rhodococcus sp.MFN вносят через 2-3 дня после внесения композиции. После выдерживания в течение 2-2,5 месяцев проводят вспашку с оборотом пласта на глубину 25-27 см, выравнивание поверхности тяжелыми боронами и посев семян многолетних трав, причем водный раствор нефтеразлагающих бактерий Rhodococcus sp.MFN получают культивированием бактерий до концентрации суспензии 1·10⁷ кл./мл, 5 мл суспензии разводят в 3-х литрах воды и вносят из расчета 1 л водного раствора на 1 м².

Почва загрязненного участка и незагрязненный грунт для компостирования относятся к одному типу почв.

Соотношение компонентов для компостирования сапропель, навоз и незагрязненный грунт составляют 11:13:6-7:1-2 соответственно.

Влажность компостируемой массы поддерживают на уровне 60% в течение всего периода компостирования путем добавления зообактериального удобрения.

Композицию вносят из расчета 45-55 т/га.

Солома, например, злаковых культур содержит 12-14% водорастворимых веществ, углеводные фракции которых являются полноценным исходным питательным субстратом, источником энергии для получения и подращивания зообактериального планктона, содержащегося в воде (речной или прудовой или озерной).

В результате настаивания соломы значительно возрастает количество азотфиксирующих микроорганизмов. Доминирующими микроорганизмами являются Aguspirillum, Pseudomonas, Bacterium. Величина азотфиксации в течение 5 дней составляет 2 г азота на 1 кг соломы. При наращивании азотфиксирующих микроорганизмов идет частичное их отмирание, что приводит к увеличению численности микроорганизмов-аммонификаторов преимущественно родов Bacillus, Bacterium, а также простейших, находящихся в инцистированной форме на соломе и прудовой воде. Воспроизводство водных простейших и беспозвоночных гидробионтов на фоне повышения количества микроорганизмов происходит согласно законам трофической цепи.

Преимущественными формами простейших являются мелкие жгутиконосцы из класса Mastigophora (10 экз./мл), а также инфузории pp. Colpidium, Cyclidium, Chilodonella (10³ экз./мл). На фоне размножения микроорганизмов и простейших через 2-3 суток настаивания соломы увеличивается численность многоклеточных беспозвоночных гидробионтов - естественных обитателей водоисточников, из которых берется вода для настоя - из классов Copepoda, Cladocera, Rotatoria в количестве нескольких десятков экземпляров в 1 мл. У беспозвоночных Rotatoria и Cladocera очень высокая скорость воспроизводства. У Cladocera средний суточный прирост составляет 15-20% средней суточной биомассы всей продукции, у Copepoda - 3-8%. В отличие от растительных остатков соотношение азота и углерода микроорганизмов и беспозвоночных гидробионтов на порядок выше 1:5-1:10.

Прохождение через микроорганизмы, особенно в аэробных условиях фитотоксических веществ растительных остатков (соломы) вызывает их детоксикацию.

Предлагаемый штамм бактерий Rhodococcus sp.MFN выделен из нефти нефтепровода «Дружба», полученной на нефтеперерабатывающем комбинате г.Капотня Московской обл. Штамм депонирован Всероссийской коллекцией промышленных микроорганизмов, коллекционный номер ВКМН Ас-1558.

Культура растет на минеральной среде, используя в качестве источника углерода нефть, нефтепродукты и отдельные углеводороды нефти.

Факультативный аэроб растет в температурном диапазоне от 4°С до 40°С (оптимум 28°С), в дополнительных факторах роста не нуждается.

Штамм не вирулентный, не токсичный, не токсигенный (проверка проведена на белых мышах). Штамм устойчив к ионам тяжелых металлов.

Незагрязненный грунт представляет собой наиболее благоприятную естественную среду для нормального развития микроорганизмов. Наиболее густо заселен микробами верхний гумусовый горизонт: на 1 г почвы приходится до 10 млрд. бактерий.

Почва считается незагрязненной, если уровень углеводородов составляет ниже 500 мг/кг по стандарту AFNOR NFT 90114.

Согласно изобретению, почва, загрязненная нефтью и нефтепродуктами и незагрязненный грунт для компостирования относятся к одному типу почв. Это обусловлено следующим.

Интенсивность самоочищения различных типов почв различная, следовательно, различно и их отношение к негативному действию нефти и нефтепродуктов. Отсюда и различия в пороговых значениях, превышение которых ведет к серьезным изменениям физико-химических микробиологических свойств.

Способ осуществляют следующим образом.

На загрязненном нефтью и нефтепродуктами участке нарезают щели в вертикальном и горизонтальном направлениях и кротовины на глубину 60-80 м. Щели и кротовины заполняют влажным зообактериальным удобрением.

Зообактериальное удобрение получают настаиванием измельченных до 80-100 мм отходов непродуктивной части растений, например соломы злаковых, в речной или прудовой или озерной воде в соотношении 1:130-150. Настаивание проводят в течение 4-5 дней. Через 5-7 дней после заполнения щелей и кротовин зообактериальным удобрением на загрязненной участок вносят композицию из расчета 45-55 т/га.

Композицию получают компостированием сапропеля, навоза и незагрязненного грунта.

Сапропель промораживают в отстойниках в зимний период, отделяют вымороженную воду, смешивают с твердой фракцией навоза, влажностью не менее 60% и незагрязненным грунтом в соотношении 11-13:6-7:1-2.

Влажность компостируемой массы поддерживают на уровне 60% в течение всего периода компостирования 1,5-2 месяцев добавлением зообактериального удобрения. Массу периодически перемешивают.

Водный раствор нефтеразлагающих бактерий готовят следующим образом.

Штамм Rhodococcus sp.MFN выращивают (культивируют) на минеральной среде 8Е следующего состава, г/л:

(NH₄)₂HPO₄- 0,5;КН₂PO₄- 0,7;NaCl- 0,5;MgSO₄×7H₂O- 0,8;дистиллированная вода - 1 л;рН- 7,2

В качестве источника углерода добавляют 1% (от объема среды) нефтеуглеводородов, идентифицированных на загрязненном участке.

Культивируют до концентрации суспензии 1·10⁷ кл/мл. Для равномерного внесения суспензию Rhodococcus sp.MFN разводят в воде из расчета 5 мл суспензии на 3 л воды.

Водный раствор бактерий вносят на загрязненный участок из расчета 1 л водного раствора бактерий на 1 м² через 2-3 дня после внесения композиции.

После 2-2,5 месяцев выдерживания проводят вспашку с оборотом пласта на глубину 25-27 см, выравнивание поверхности тяжелыми боронами и посев семян многолетних трав.

Посев семян проводят вместе с сухим остатком вымороженной воды.

Пример 1. Исследования проведены в Волгоградской области на участке прохождения трубопровода для перекачивания нефти. В результате ремонтных работ по восстановлению целостности трубопровода и предотвращения утечки нефти грунт уплотнен на глубину до 70 см. При этом участок загрязнен нефтью и нефтепродуктами. Причем степень загрязнения различна по глубине участка и составляет 5003-7029 мг/100 г почвы. Почва загрязненного участка относится к типу темно-каштановой почвы.

Тест на присутствие аэробных бактерий отрицателен (стерильная почва).

На исследуемом участке нарезают щели и кротовины на глубину 80 см и заполняют их жидким зообактериальным удобрением.

Зообактериальное удобрение получают следующим образом.

Солому, например, злаковых, измельченных до размера 80-100 мм, замачивают в речной или прудовой, или озерной воде в соотношении 1:130 в течение 5 дней.

Через 5 дней на исследуемый участок вносят композицию, которую получают следующим образом.

Сапропель промораживают в зимний период времени, отводят вымороженную воду, смешивают с твердой фракцией навоза и незагрязненного грунта в соотношении 13:6:1. Незагрязненный грунт относится к типу темно-каштановой почвы. Влажность компостируемой массы 60% поддерживают в течение всего периода компостирования 1,5-2 месяца путем добавления зообактериального удобрения.

Через 2 дня после внесения композиции на загрязненный участок вносят водный раствор бактерий Rhodococcus sp.MFN из расчета 1 л/м².

В результате проведенных исследований установлено, что:

- через 4 недели после внесения водного раствора бактерий содержание нефтеуглеводородов снижалось неравномерно по глубине участка и составило на глубине:

0-20 см3655 мг/100 г почвы  (48% нефтеуглеводородов разрушено);20-40 см4760 мг/100 г почвы (22% разрушено);40-60 см4423 мг/100 г почвы (19% разрушено);60-80 см4352 мг/100 г почвы (13% разрушено).

- через 6 недель:

0-20 см2038 мг/100 г почвы (71% разрушено);20-40 см2866 мг/100 г почвы (54% разрушено);40-60 см2914 мг/100 г почвы (43% разрушено);60-80 см3001 мг/100 г почвы (40% разрушено).

- через 8 недель:

0-20 см1405 мг/100 г почвы (80% нефтеуглеводородов разрушено);20-40 см1370 мг/100 г почвы (78% нефтеуглеводородов разрушено);40-60 см2045 мг/100 г почвы (60% нефтеуглеводородов разрушено);60-80 см2401 мг/100 г почвы (52% нефтеуглеводородов разрушено).

- через 10 недель:

0-20 см527 мг/100 г почвы (92,5% нефтеуглеводородов разрушено);20-40 см560 мг/100 г почвы (91% нефтеуглеводородов разрушено);40-60 см562 мг/100 г почвы (89% нефтеуглеводородов разрушено);60-80 см650 мг/100 г почвы (87% нефтеуглеводородов разрушено).

Затем на исследуемом участке проводят вспашку с оборотом пласта на глубину 25-27 см, выравнивание поверхности тяжелыми боронами и посев семян костреца безостого.

Посев семян проводили вместе с сухим остатком вымороженной воды.

Всхожесть семян составила 84%.

Остаточное количество углеводородов в почве через 5 месяцев после посева трав составила 479 мг/100 г почвы по всей глубине, что согласно стандарту AFNOR NFT 90114 позволяет считать исследуемый участок очищенным от нефтеуглеводородов.

Пример 2. Условия те же.

Различия: а) солому злаковых замачивают в речной или прудовой. или озерной воде в соотношении 1:150 в течение 7 дней;

б) соотношение компонентов для компостирования сапропель, навоз и незагрязненный грунт составляет 11:7:2;

в) композицию вносят на загрязненный участок через 7 дней;

г) внесение водного раствора бактерий Rhodococcus sp.MFN проводили через 3 дня после внесения композиции.

В результате исследований установлено, что разрушение нефтеуглеводородов проходило более равномерно, через 4 недели было разрушено по глубине участка от 20 до 46% нефтеуглеводородов:

- через 6 недель - от 59 до 72% нефтеуглеводородов разрушено;

- через 8 недель - от 68 до 82%;

- через 10 недель - от 90 до 93%.

Всхожесть семян составила 83%.

Остаточное количество углеводородов в почве через 5 месяцев после посева трав составило 466 мг/100 г почвы.

Пример 3. Способ осуществляют аналогично примерам 1 и 2. Различия в типах почв, а именно почва загрязненного участка относится к типу темно-каштановой почвы, а незагрязненный грунт для компостирования относится к типу светло-каштановой почвы.

В результате исследований установлено, что содержание нефтеуглеводородов более чем вдвое превышало через 2,5 месяца после внесения водного раствора бактерий Rhodococcus sp.MFN содержание нефтеуглеводородов по примерам 1 и 2.

Всхожесть семян костреца безостого составила 51%, а содержание углеводородов в почве через 5 месяцев после посева составило 698 мг/100 г почвы - почва загрязнена нефтеуглеводородами.

Соотношение отходов непродуктивной части растений и речной или прудовой воды 1:130-150 для получения зообактериального удобрения является оптимальным. При большем количестве воды - удобрение менее концентрированное, происходит снижение биомассы ассоциации микроорганизмов и беспозвоночных гидробионтов, которое вносится в почву, при меньшем количестве воды в настое развиваются гнилостные процессы.

Соотношение компонентов для компостирования получено экспериментальным путем. Продолжительность всех этапов биологической рекультивации почв является оптимальной.

Преимуществом заявленного способа является то, что он позволяет не только провести очистку почвы от нефти и нефтепродуктов, но и восстановить почвенное плодородие загрязненного и переуплотненного участка. Это обусловлено тем, что в состав сапропеля входят все питательные вещества необходимые для роста и развития растений, поэтому его можно отнести к группе сложных многофакторных удобрений. Оптимальное биологическое соотношение питательных веществ, а также слаборастворимое состояние исключает «перекорм» или «недокорм» растений. Усвоение отдельных элементов растением происходит по мере минерализации гумуса самого сапропеля. Более половины органической части сапропеля представлены гумусовыми веществами, за счет которых можно решить проблему плодородия почвы путем создания бездефицитного баланса гумуса в почве приозерных регионов.

Источники информации

1. Патент США №3813316, кл.195-28, 1974.

2. SU 250849, кл. C12N 1/20, 1968.

3. SU 1076446, кл. C12N 15/00, 1984.

4. RU 2127310, кл. C12N 1/20, 1999 - прототип.

Изобретение относится к биотехнологии и может быть использовано для восстановления переуплотненных почв, загрязненных нефтью и нефтепродуктами. Способ предусматривает нарезание щелей в вертикальном и горизонтальном направлениях и кротовин на глубину 60-80 см, которые заполняют зообактериальным удобрением, внесение через 5-7 дней композиции из сапропеля, навоза и незагрязненного грунта, внесение водного раствора нефтеразлагающих бактерий Rhodococcus sp.MFN, проведение вспашки, боронование и посев многолетних трав. Изобретение позволяет осуществить эффективную биологическую рекультивацию почвы. 4 з.п. ф-лы.

1. Способ биологической рекультивации переуплотненных почв, загрязненных нефтью и нефтепродуктами, предусматривающий двухкратное внесение удобрений на загрязненный участок, рыхление почвы и внесение водного раствора нефтеразлагающих бактерий, отличающийся тем, что на загрязненном участке нарезают щели в вертикальном и горизонтальном направлениях и кротовины на глубину 60-80 см, которые заполняют зообактериальным удобрением, полученным замачиванием непродуктивной части растений, например соломы в речной или прудовой, или озерной воде в объемном соотношении 1:130-150 в течение 4-5 дней, повторное внесение удобрений проводят через 5-7 дней, в качестве удобрения используют композицию, полученную путем компостирования сапропеля, навоза и незагрязненного грунта, в качестве нефтеразлагающих бактерий используют штамм бактерий Rhodococcus sp.MFN, выращенный на питательной среде, в которой в качестве источника углерода используют углеводороды, идентифицированные на загрязненном участке, водный раствор бактерий Rhodococcus sp.MFN вносят через 2-3 дня после внесения композиции, после выдерживания в течение 2-2,5 месяцев проводят вспашку с оборотом пласта на глубину 25-27 см, выравнивание тяжелыми боронами и посев семян многолетних трав, причем водный раствор нефтеразлагающих бактерий Rhodococcus sp.MFN получают культивированием бактерий до концентрации суспензии 1-10⁷ кл/мл, 5 мл суспензии разводят в 3 л воды и вносят из расчета 1 л водного раствора на 1 м².2. Способ по п.1, отличающийся тем, что почва загрязненного участка и незагрязненный грунт для компостирования относятся к одному типу почв.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что соотношение компонентов для компостирования сапропель, навоз и незагрязненный грунт составляет 11-13:6-7:1-2 соответственно.4. Способ по п.1, отличающийся тем, что влажность компостируемой массы поддерживают на уровне 60% в течение всего периода компостирования путем добавления зообактериального удобрения.5. Способ по п.1, отличающийся тем, что композицию вносят из расчета 45-55 т/га.