СПОСОБ ОЧИСТКИ И ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ФУНКЦИЙ СУБСТРАТОВ, ЗАГРЯЗНЕННЫХ НЕФТЬЮ И НЕФТЕПРОДУКТАМИ Российский патент 2011 года по МПК B09C1/00 

Изобретение относится к области биотехнологии, а именно к способам очистки субстратов от нефтяного загрязнения, и может быть использовано для ликвидации последствий аварийных розливов нефти и нефтепродуктов на железнодорожном, трубопроводном и автомобильном транспорте, а также для улучшения экологической ситуации вокруг источников углеводородного загрязнения (автозаправки, резервуарные парки, нефтебазы, буровые скважины, придорожные площади).

Анализ существующего уровня техники позволил выявить следующие аналоги:

- известны способы микробиологической очистки почвы с помощью микроорганизмов, способных разрушать углеводороды нефти, включающие предварительную механическую обработку почвы, внесение органических и неорганических удобрений и углеводородокисляющей микрофлоры (см. патент РФ № 2245748 от 14.05.2002 по МПК⁷ В09С 1/08, опубл. 10.02.2005 г; патент РФ № 2076150 от 15.02.93 по МПК⁶ C12N 1/20, опубл. 27.03.1997; патент РФ № 2071671 от 23.09.1994 по МПК⁶ В09С 1/00, опубл. 10.01.1997; патент РФ № 2049739 от 19.09.1991 по МПК⁶ C02F 3/34, опубл. 10.12.1995; патент РФ № 2062669 от 10.01.1993 по МПК⁶ В09С 1/10, опубл. 27.06.1996).

Недостатком способов является пониженная эффективность процесса очистки и восстановления экологических функций субстратов. Это связано с тем, что для биологического разрушения будут доступны только углеводороды, находящиеся на поверхности субстрата, при этом углеводороды, проникшие вглубь субстрата, смогут подвергаться разрушению только за счет жизнедеятельности анаэробной микрофлоры. Следовательно, эффективность аэробных микроорганизмов, входящих в состав бактериальных препаратов, будет невысокая. Кроме того, повышение продуктивности субстратов достигается только за счет снижения концентрации углеводородов нефти, без внесения удобрений;

- известен способ утилизации углеводородсодержащих отходов с масляной фракцией, по которому предложена вермикультурная композиция следующего состава: линейный керосин, загрязненные нефтью твердые буровые отходы, углеводородокисляющие бактерии, почва и черви (см. патент США № 6838082 от 14.02.2002 г по МПК C05F 17/00, опубл. 14.01.2005 г). Также предложена экологически чистая жидкость для бурения, в качестве твердой фазы для которой используют органические отходы: рисовая шелуха, опилки, стружки, резаная бумага, картон, кокосовая стружка, шелуха хлопчатника и т.д. При этом отработанные отходы бурения заселяют красными дождевыми червями (Lumdricidus rubellus, Eisenia foetida), выращенными с использованием кухонных, сельскохозяйственных отходов и осадков сточных вод, с влажностью около 75%.

Недостатком способа является пониженная эффективность процесса очистки и восстановления экологических функций субстратов. Это обусловлено тем, что питательная среда не является оптимальной для культивирования дождевых червей, заявленное техническое решение не предусматривает рекультивации нефтезагрязненных субстратов. Кроме того, по способу предусмотрена обработка загрязненного субстрата в реакторе, что значительно увеличивает стоимость утилизации нефтезагрязненного субстрата, отмечается необходимость контроля содержания кислорода и дополнительная аэрация с помощью аэрационного устройства, поскольку дождевые черви неэффективно выполняют аэрацию в неблагоприятных условиях;

- в качестве прототипа нами взят способ очистки и рекультивации загрязненных нефтью и нефтепродуктами почв, включающий обработку почвы препаратами, содержащими нефтеперерабатывающие бактерии совместно с биодеструкторами следующего трофического уровня - дождевыми червями. Используют бактериальный препарат «Путидойл» (см. патент РФ № 2217246 от 18.03.1999 г по МПК⁷ В09С 1/10, опубл. 27.11.2003).

Недостатком способа является пониженная эффективность процесса очистки и восстановления экологических функций субстратов. Это обусловлено тем, что в известном способе рекультивация загрязненных нефтепродуктами почв достигается только за счет жизнедеятельности дождевых червей, без внесения органических или неорганических удобрений. В данном случае эффективность рекультивации будет ниже, по сравнению с вышеуказанными способами, предусматривающими внесение соответствующих добавок. К тому же, способ по прототипу не предусматривает обработки субстрата: вспашки, перемешивания или внесения разрыхлителей. При этом для биологического разрушения будут доступны только углеводороды, находящиеся на поверхности субстрата, причем углеводороды, проникшие вглубь субстрата, смогут подвергаться разрушению только за счет жизнедеятельности анаэробной микрофлоры. Следовательно, эффективность аэробных микроорганизмов, входящих в состав бактериальных препаратов, предназначенных для разрушения углеводородов нефти, будет невысокая.

Следует отметить, что в Примере не указано, какое количество дождевых червей и какого вида авторы использовали для проведенного эксперимента. Исходя из приведенных ими данных, начальная концентрация нефти и нефтепродуктов в почве составляла более 21 г/кг. По литературным данным, подтвержденным нашими собственными исследованиями, предельная летальная концентрация нефти и нефтепродуктов в почве, при которой происходит гибель 100% особей в течение суток, для почвы составляет 20 г/кг. При начальной концентрации нефти в субстрате 12 г/кг происходит гибель 50% особей в течение суток, если субстрат не подвергался предварительной обработке. (Соромотин А.В. Влияние нефтяного загрязнения на почвенных беспозвоночных (мезофауны) в таежных лесах Среднего Приобья // Сибирский экологический журнал. - 1995. - № 6. - С.549-552; А.Г.Карташев, К.С.Козлов, А.Г.Грязнов. Влияние нефтезагрязнений на выживаемость дождевых червей // Сибирский экологический журнал, 2006, № 5, т.13, с.629-637; Спиров А.В., Пушной Г.В. Использование олигохет в качестве тест-объектов в системах скрининга тератогенов среды // Всес. совещ. Эколого-генетический мониторинг состояния окружающей Среды. - Караганда, 1990. - С.112; Кибардин В.М., Жеребцов А.К. Влияние нефтяного загрязнения на дождевых червей // Матер. 6 науч. конф. мол. ученых Казан, ин-та биол. Казан. фил. АН СССР, Казань, 5-8 апр., 1988. Казан. ин-т биол. Казан. фил. АН СССР. Казань, 1990, с.230-232, ил.). К тому же, Пример рассматривает использование способа в лабораторных условиях в микрообъемах - слой нефтезагрязненной почвы составил 50 мм (5 см), а общая высота садка составила 60 мм (6 см). Дождевые черви обитают в слое субстрата толщиной 10-70 см, и если субстрат токсичен для червей, то они не закапываются в него, ползают по поверхности и пытаются выползти из емкости. При столь малых объемах лабораторных садков для проведения эксперимента крайне затруднительно удержать червей внутри субстрата, содержащего летальную концентрацию загрязняющего вещества. Из описания эксперимента не понятно, какие средства применялись для задержания дождевых червей в лабораторных емкостях. Таким образом, не разработаны условия промышленного использования прототипа.

Технический результат от применения заявленного способа сводится к следующему:

повышается эффективность восстановления экологических функций нефтезагрязненных субстратов в диапазоне температур субстрата от +5 до +45°С, с начальным содержанием нефти и нефтепродуктов не более 20000 мг/кг, при этом:

а) активизируется разрушение нефтяного загрязнения аборигенной углеводородокисляющей микрофлорой за счет создания оптимальных условий для ее жизнедеятельности, а также из-за отсутствия конкуренции между интродуцируемой и аборигенной микрофлорой;

б) улучшаются условия обитания дождевых червей, интенсифицируется их жизнедеятельность: биопродуктивность, увеличение удельной массы;

в) повышается плодородие субстратов за счет обогащения биогенными элементами.

Указанный технический результат достигается с помощью обработки субстратов биопрепаратами и дождевыми червями, то есть так, как указано в прототипе.

Мы предлагаем:

- дополнительно готовить питательную среду для дождевых червей. Измельчить органический материал до размеров частиц 20-50 мм и обработать его молочной сывороткой в соотношении компонентов: 40-80 л последней: 1 т органического материала;

- дополнительно обработать субстрат. При этом последовательно вносить: разрыхлитель, питательную среду, биопрепарат. Во все субстраты, кроме песчаной почвы, вносят разрыхлитель в количестве, обеспечивающем содержание кислорода в субстрате не менее 12%. Приготовленную питательную среду в количестве 10-30% от массы субстрата. Биопрепарат, в качестве которого используется биоудобрение, восстанавливающее плодородие субстратов, в количестве 70-90 мл на 1 м² субстрата;

- проводить вспашку на глубину 0,1-0,4 м;

- в качестве дождевых червей использовать аборигенные виды. При этом массу внесенного червесубстрата определяют по формуле:

m_чс=K·S·h·ρ·G/Z,

где m_чс - масса червесубстрата, кг;

K - эмпирический коэффициент, учитывающий гибель особей дождевых червей, зависящий от типа субстрата и питательной среды, находящийся в пределах 1,1-1,4;

S - площадь обрабатываемого участка, м²;

h - глубина обработки субстрата, м;

ρ - плотность субстрата, кг/м³;

G - оптимальное количество дождевых червей в 1 кг субстрата, подбираемое эмпирически в зависимости от типа субстрата, количество особей/1 кг субстрата;

Z - исходное удельное количество особей в 1 кг продукта червесубстрата, количество особей/1 кг червесубстрата;

- на территории Юга России использовать дождевых червей вида Lumbricidus rubellus;

- в качестве органического материала использовать листовой опад или лузгу подсолнечника, или плодовый жмых, или жом подсолнечный необрушенный, или ботву сельскохозяйственных культур, или вяленную траву, или отходы томатов, или отходы капусты, или виноградные выжимки;

- в качестве молочной сыворотки использовать подсырную или творожную, или казеиновую;

- в качестве разрыхлителя использовать речной песок или опилки нехвойных пород деревьев.

- в качестве биопрепарата, восстанавливающего плодородие почв, преимущественно использовать «Байкал ЭМ-1».

На основании вышеизложенного заявляемое техническое решение соответствует условию новизны.

Способ может применяться при концентрации нефти и нефтепродуктов в субстрате не более 20000 мг/кг. Более высокие концентрации полностью подавляют жизнедеятельность вносимой микрофлоры и детальны для дождевых червей. У дождевых червей наблюдается активный некроз поверхностных тканей, размягчение продольной мускулатуры, они теряют подвижность и гибнут в течение суток.

Способ может применяться при температуре субстрата не ниже +5°С и не выше +45°С. При более низких температурах дождевые черви и микроорганизмы неактивны, а при более высоких температурах почвы черви уходят в глубокие слои субстрата, образуют «общественный кокон» и впадают в спячку. Кроме того, повышенные температуры способствуют изменению видового состава микробного сообщества и использование предлагаемых приемов не приносит ожидаемого эффекта.

Попадая в окружающую среду, нефть подавляет дыхательную активность субстратов, вызывает почти полную депрессию флоры и фауны, нарушает соотношение между отдельными группами микроорганизмов, к тому же угнетаются процессы азотфиксации, нитрификации, нарушается баланс почвенных ферментов, происходит накопление трудноокисляемых продуктов. Субстрат - питательная среда для растений и микроорганизмов, понятие комплексное, включающее, в том числе все виды почв и сапропелей. На загрязненных участках формируется высокая фитотоксичность почвы, которая объясняется избыточным содержанием в ней хлоридов, сульфатов и гидрокарбонатов натрия. Воздействие нефти и нефтепродуктов на почвенные экосистемы приводит к снижению биологической продуктивности почвы и фитомассы растительного покрова. Для большинства сельскохозяйственных растений нефтезагрязненная почва является токсичной. Нефтяное загрязнение оказывает отрицательное влияние на прорастание растений сразу после высева семян в грунт. Ингибирующее действие нефти на наиболее устойчивые растения наблюдается уже при уровне загрязнения около 400-500 мг/кг. Рост растений на ранних сроках значительно отстает от контрольных по высоте.

По заявляемому способу, в отличие от прототипа, мы не используем бактериальные препараты, предназначенные для очистки почвы от углеводородов нефти. Известно, что во всех природных субстратах содержится аборигенная углеводородокисляющая микрофлора. Она состоит из микробных популяций водорослей, актиномицетов, нитрифицирующих, денитрифицирующих, целлюлозоразлагающих бактерий, серобактерий, пигментных микробов, грибов, простейших. Наибольшее количество (1000000 в 1 мм³) микробов содержится в верхнем слое почвы - на глубине 5-15 см (см. Гузев B.C., Бондаренко Н.Г., и др. Структура инициированного микробного сообщества как интегральный метод оценки микробного состояния почвы // Микробиология. - 1980. - 49, № 1. - С.134-139; Гузев B.C., Левин С.В., и др. Роль почвенной микробиоты в рекультивации нефтезагрязненных почв // Микроорганизмы и охрана почв. - М.: МГУ, 1989. - С.129-150; Звягинцев Д.Г. и др. Диагностические признаки различных уровней загрязнения почвы нефтью, Почвоведение, 1989, № 1, - С.72-78.).

Предлагаемый нами способ очистки и восстановления экологических функций нефтезагрязненных субстратов основан на создании благоприятных условий для окисления углеводородов нефти аборигенной углеводородокисляющей микрофлорой. Способ применим к следующим типам субстратов: сапропель (отложения пресноводных водоемов, состоящие из органического вещества и минеральных примесей, формирующиеся в результате длительных природных процессов из остатков растительных и животных организмов, населяющих водоем), черноземы, суглинки, серые лесные, каштановые (светлые, темные, засоленные) и песчаные почвы.

Нефть приводит к нарушению структуры субстратов, а именно приводит к слипанию частиц в единый конгломерат, образованию газонепроницаемой пленки. В результате многие биологические процессы замедляются или прекращаются. Большинство микроорганизмов, способных разрушать углеводороды нефти относятся к аэробным. Они являются основными поставщиками питательных веществ для растений, и для осуществления процессов жизнедеятельности необходим кислород.

Таким образом, ведущей проблемой становится организация аэрации субстрата и восстановление его структуры (разделение на отдельные частицы). Эту функцию эффективно выполняют дождевые черви, передвигаясь в земле, пропускают ее через свою пищеварительную систему, обеспечивая аэрацию, структурированность почвы, распределение органического материала по почвенному горизонту, присутствие ряда биологически активных веществ (ферментов, витаминов, факторов роста). К червям предъявляются определенные требования. Они должны иметь высокую прожорливость, подвижность, обеспечивать высокую степень разложения органических субстратов, обладать устойчивостью к заболеваниям и физико-химическим воздействиям, высокой скоростью адаптации к перерабатываемым субстратам. В США для культивирования используется, полученная путем отбора продуктивная популяция червя Eisenia foetida, названная "красным калифорнийским червем", в Европе он известен под торговым названием "Тенесси Виглер". Однако этот червь, несмотря на неоспоримые достоинства, мало приспособлен к климатическим условиям и почвам России. В нашей стране был выведен гибрид дождевого червя, не уступающий по основным продуктивным свойствам американскому аналогу, адаптированный к природно-климатическим условиям средней полосы. Выведенный во Владимирской области гибрид получил наименование "Старатель". Перевозка дождевых червей на значительные расстояния связана с дополнительной гибелью части особей в популяции и ухудшением общего состояния выживших, кроме того, черви вынуждены проходить адаптацию к новым климатическим условиям, неизбежна смена корма, что является крайне травмирующим фактором. В связи с этим, наиболее целесообразным является использование аборигенных видов дождевых червей, адаптированных к нефтяному загрязнению и местным климатическим условиям. Для Юга России рекомендуется использовать дождевых червей Lumdricus rubellus, прошедших адаптацию к нефтяному загрязнению субстратов.

Дождевые черви улучшают условия обитания микроорганизмов и являются фактором, обеспечивающим рост численности углеводородокисляющей микрофлоры и интенсифицирующим разрушение нефтяного загрязнения. Согласно Методике определения ущерба окружающей природной среде при авариях на магистральных нефтепроводах (Руководящий документ «Методика определения ущерба окружающей природной среде при авариях на магистральных нефтепроводах» / утвержден Минтопэнерго РФ 01.11.95 г. - М., 1996. - 68 с., далее - РД) низким уровнем загрязнения субстрата нефтью и нефтепродуктами считается содержание углеводородов нефти от 1000 до 2000 мг/кг. Поэтому в качестве технического результата применения предложенной технологии необходимо в кратчайшие сроки добиться содержания углеводородов нефти в субстрате более 1000-2000 мг/кг.

Для обеспечения дождевых червей достаточным количеством незагрязненного нефтью корма готовят питательную среду. Подготовка питательной среды с использованием молочной сыворотки значительно сокращает процент гибели популяции (от 5 до 30%).

Для подготовки питательной среды для дождевых червей доступный органический материал необходимо измельчить до частиц размером от 20 до 50 мм. Для более крупных частиц органического материала, размером более 50 мм, заметно увеличивается продолжительность предварительной обработки молочной сывороткой, при получении более мелких частиц, менее 20 мм, возрастает насыпная плотность субстрата, ухудшается его аэрация. Внесение молочной сыворотки, содержащей молочнокислую микрофлору, предотвращает процессы гниения органического материала, переводя их в процессы брожения. Использование молочной сыворотки в качестве закваски позволяет подавить развитие плесневых грибов и дрожжей, обильно развивающихся в верхнем слое заквашиваемого органического материала, улучшаются его качества как питательной среды для дождевых червей. Внесение молочной сыворотки производится из расчета 40-80 л на 1 т органического материала. При использовании меньшего количества сыворотки, то есть менее 40 л/т, процессы гниения не будут полностью подавлены, требуемая численность молочнокислой микрофлоры не будет достигнута; при внесении больших объемов молочной сыворотки, то есть более 80 л/т влажность органического материала будет чрезмерной.

В предлагаемом способе очистки и восстановления экологических функций нефтезагрязненных субстратов предусматривается внесение в субстрат разрыхлителя. При загрязнении субстратов нефтью и нефтепродуктами, в них нарушаются процессы газообмена с окружающей средой, усиливаются их гидрофобные свойства, наблюдается повышенная слеживаемость, образование твердых, плотных, плохо разрушающихся агломератов (кутанов). Опилки хвойных пород деревьев не используются, поскольку высокое содержание смолистых веществ отрицательно сказывается на жизнедеятельности дождевых червей. Снижение содержания кислорода в субстрате ниже 12% отрицательно сказывается на развитии аэробных микроорганизмов и растений. Предпочтительным разрыхлителем для применения в предлагаемом способе является речной песок.

Внесение питательной среды для дождевых червей обогащает субстрат органическим материалом. Внесение в субстрат питательной среды в количестве менее 10 мас.% не сможет обеспечить достаточное количество незагрязненного углеводородами нефти корма для дождевых червей. Внесение в субстрат питательной среды более 30 мас.% заметно увеличит стоимость проводимых работ по очистке субстрата без заметной интенсификации разрушения углеводородов нефти в субстрате.

Способ предусматривает обработку субстрата биопрепаратом, представляющим собой биоудобрение, восстанавливающее плодородие субстратов. Предпочтительным биопрепаратом является биоудобрение «Байкал-ЭМ-1». Биопрепарат содержит большое количество анабиотических (полезных) микроорганизмов, обитающих в почве: молочнокислые, азотфиксирующие, нитрифицирующие бактерии, актиномицеты, дрожжи и ферментирующие грибы. Взаимодействуя в почве, они вырабатывают ферменты и физиологически активные вещества, аминокислоты, нуклеиновые кислоты, оказывающие как прямое, так и косвенное положительное влияние на рост и развитие растений. Между микрофлорой биопрепарата и дождевыми червями устанавливаются симбиотические отношения, повышающие толерантность дождевых червей к нефтяному загрязнению, увеличивается выживаемость дождевых червей на 4-6%. Внесение биопрепарата в субстрат в количестве меньше 70 мл/м² не обеспечит оптимальную численность микрофлоры на обрабатываемом участке, превышение заявляемой дозировки биопрепарата повышает стоимость очистки субстрата от углеводородного загрязнения, при этом эффективность разрушения нефтяных углеводородов не увеличивается.

Микроорганизмы в почве образуют сложный биоценоз, в котором различные их группы находятся между собой в сложных отношениях. Одни из них успешно сосуществуют, а другие являются антагонистами (противниками). Антагонизм их обычно проявляется в том, что одни группы микроорганизмов подавляют развитие других. Поэтому, внесение микробиологических препаратов в субстраты не всегда дает ожидаемый результат. Интродуцированная микрофлора может вступать в конкурентные отношения с аборигенной микрофлорой субстрата. В результате наблюдается снижение численности целевых групп микроорганизмов и интенсивность процессов их жизнедеятельности, ухудшается продуктивность субстрата.

Биопрепарат «Байкал-ЭМ-1» содержит микробиологическую композицию, состоящую из микроорганизмов, характерных для субстратов с высокой биопродуктивностью. При использовании этого биоудобрения не возникает проблем с совместимостью аборигенной и интродуцированной микрофлорой. В состав биопрепарата «Байкал-ЭМ-1» входят молочнокислые бактерии, содержащиеся в питательной среде для дождевых червей, а также актиномицеты и ферментирующие грибы. Молочнокислые бактерии вырабатывают молочную кислоту, подавляющую развитие гнилостной и патогенной микрофлоры, улучшают санитарное состояние обрабатываемого участка. Молочнокислые бактерии способствуют разложению лигнинов и целлюлозы и ферментируют эти вещества. Жизнедеятельность актиномицет подавляет рост грибков. Ферментирующие грибы типа Aspergillus и Penicillium быстро разлагают органические вещества, в том числе участвуют в разрушении углеводородов нефти, выделяют антибиотики. Ферментирующие грибы подавляют запахи и предотвращают заражение почвы вредными насекомыми и их личинками, предотвращают развитие основных паразитов дождевых червей. Таким образом, внесение биопрепарата обеспечивает восстановление плодородия и экологических функций нефтезагрязненных субстратов.

В целях перемешивания внесенных добавок с субстратом, загрязненным нефтью и нефтепродуктами производят вспашку. Нефть проникает в большинстве случаев на глубину 5-10 см, и только в отдельных случаях, при крупных авариях на трубопроводах или нефтяных скважинах мощность нефтезагрязненного слоя может достигать 40 см. Поэтому вспашку достаточно проводить на глубину от 0,1 до 0,4 м в зависимости от начального загрязнения субстрата углеводородами нефти и глубины проникновения нефти и нефтепродуктов в субстрат.

Изучив патентную документацию и научно-техническую литературу в данной области, авторы пришли к выводу, что неизвестно приготовление питательной среды для дождевых червей по заявляемому способу, внесение ее в субстрат в заявляемых количествах, а также использование биоудобрения в заявляемых количествах для восстановления плодородия в целях снижения концентрации углеводородов в субстрате. При этом авторы рекомендуют использовать дождевых червей аборигенных видов. Авторы считают, что заявляемое техническое решение обладает изобретательским уровнем.

Пример 1. Проводится очистка и восстановление экологических функций сопрапели, загрязненной сырой нефтью Ставропольских месторождений. Готовят питательную среду. Листовой опад для лабораторных экспериментов измельчают секатором, а в промышленных масштабах - измельчают в дезинтеграционной установке марки 99-3 до размеров 20-50 мм, и закладывают в емкости. Измельченный листовой опад в количестве 10 кг (1 т для промышленного использования) обрабатывают молочной сывороткой по ОСТ 49-92-75 в количестве 0,4 л для творожной, а для промышленного использования - 40 л творожной сыворотки. Оставляют для заквашивания и ферментирования на 5 суток.

Обрабатывают субстрат. В сапропель для лабораторных условий 30 кг, (для промышленного использования - 100 м²) с начальным уровнем загрязнения нефтью 6000 мг/кг вносят 1,5 кг (5%) песка, что обеспечивает содержание кислорода в субстрате не менее 12%. Для промышленного использования обрабатывают сапропель с помощью разбрасывателя песка 13-1975-14, а количество песка определяют по формуле:

m_п=0,01·S·h·ρ·P,

где m_п - требуемое количества песка, кг;

S - площадь обрабатываемого участка, м²;

h - глубина обработки субстрата, м;

ρ - плотность субстрата, кг/м³;

L - оптимальное количество органического материала в субстрате, мас.%.

Р - оптимальное количество песка в субстрате

m_п=0,01·100·0,1·880·5=440 кг.

В сапропель вносят приготовленную питательную среду в количестве 3 кг (10 мас.%), а для промышленного использования с помощью центробежного разбрасывателя удобрений AMAZONE ZA-X Perfect, расчет проводят согласно формуле:

m_o=0,01·S·h·ρ·L,

где S - площадь обрабатываемого участка, м²;

h - глубина обработки субстрата, м;

ρ - плотность субстрата, кг/м³;

L - оптимальное количество органического материала в субстрате, мас.%.

m_o=0,01·100·0,1·880·10=880 кг.

Для лабораторных условий в сапропель вносят бактериальный препарат «Байкал-ЭМ-1» в количестве 150 мл, а для промышленных условий 70 мл бактериального препарата на 1 м² субстрата, а для обработки 100 м² - 7 л.

В лабораторных условиях субстрат тщательно перемешивают, а при промышленном использовании проводят вспашку на глубину 0,1 м, используя трактор МТ3-80, оборудованный навесным плугом ПЛН-5-35.

В обработанный сапропель вносят дождевых червей Lumdricus rubellus в лабораторных условиях вручную, по 1260±1 особей (с учетом коэффициента, учитывающего гибель особей), при промышленном использовании массу червесубстрата определяют по формуле:

m_чс=1,2·100·0,1·880·35/200=1848 кг.

Проводят полив до оптимальной влажности 70-80%. Температура субстрата на протяжении всего эксперимента составляет 19-21°С. Через 30 дней содержание нефти в загрязненном сапропели составило 2000±100 мг/кг, а через 45 дней 1000±100 мг/кг. На фиг.1 представлен график зависимости снижения концентрации нефти в сапропели от времени, при этом пунктирной кривой обозначено снижение концентрации углеводородов нефти в необработанном по заявленному способу субстрате, а сплошной кривой - по заявляемому способу.

Для сравнения, в контроле для сапропеля без обработки по заявляемому способу через 45 дней содержание нефти составило 3800±100 мг/кг.

Выживаемость дождевых червей в сапропели, обработанном по заявляемому способу, составила 89,1±1,5%, при этом выживаемость в необработанном сапропеле 42,5±1,5%, прирост средней массы выживших особей составил 47,5 мг, в необработанном субстрате 1,6 мг, плодовитость составила 4,8 коконов/особь, в необработанном 1,4 кокона/особь.

На фиг.2 представлена диаграмма плодовитости дождевых червей,

где 1 - плодовитость червей в свежезагрязненном сапропеле,

2 - плодовитость червей в загрязненном сапропеле без обработки по заявляемому способу,

3 - плодовитость червей в незагрязненном сапропеле,

4 - плодовитость червей в обработанном сапропели по заявляемому способу.

На фиг.3 представлена зависимость прироста средней массы дождевых червей от времени, при этом пунктирной линией обозначено изменение средней массы червей в необработанном по заявленному способу субстрате, а сплошной кривой - по заявляемому способу.

Далее образцы обработанных субстратов были засеяны кресс-салатом. Биомасса кресс-салата на обработанном сапропеле составила 114±1% по сравнению с незагрязненным субстратом.

Пример 2. Проводится очистка и восстановление экологических функций слабовыщелоченного чернозема, загрязненного сырой нефтью Ставропольских месторождений с начальной концентрацией 20000 мг/кг, для участка размером 100 м².

Готовят питательную среду так, как указано в примере 1, но в качестве органического материала используют лузгу подсолнечника, при этом операцию измельчения не проводят. Обрабатывают молочной сывороткой, а именно казеиновой, в количестве 60 л на 1 т лузги подсолнечника.

Обрабатывают субстрат так, как указано в примере 1, но вносят (10%) песка в количестве 4 т по расчету:

m_п=0,01·100·0,4·1000·10=4000 кг.

Приготовленную питательную среду вносят в количестве 12 т по расчету:

m_o=0,01·100·0,4·1000·30=12000 кг.

Вносят 90 мл бактериального препарата «Байкал-ЭМ-1» на 1 м² субстрата, то есть 9 л.

Проводят вспашку на глубину 0,4 м.

Вносят дождевых червей Lumdricidus rubellus в количестве, определяемом по формуле:

m_чс=1,4·100·0,4·1000·40/200=11200 кг.

Через 180 дней содержание нефти в черноземе составило 1800±100 мг/кг, что соответствует условию низкого уровня загрязнения субстрата нефтью и нефтепродуктами указанному в РД. В контроле для слабовыщелоченного чернозема без обработки по заявляемому способу через 180 дней 13600±100 мг/кг.

Выживаемость дождевых червей в слабовыщелоченном черноземе, обработанном по заявляемому способу, составила 54,1±1,5%, при этом выживших дождевых червей в необработанном черноземе не обнаружено, прирост средней массы выживших особей составил 104 мг, плодовитость составила 1,8 коконов/особь.

Далее образцы субстратов были засеяны кресс-салатом. Биомасса кресс-салата на обработанном слабовыщелоченном черноземе составила 89±1% по сравнению с незагрязненным субстратом, биомасса кресс-салата на необработанном субстрате составила 11,8±1%.

Пример 3. Проводится очистка и восстановление экологических функций суглинков, загрязненного сырой нефтью Ставропольских месторождений с начальной концентрацией 12 мг/кг, для участка размером 100 м².

Готовят питательную среду так как указано в примере 1, но в качестве органического материала используют отходы капусты. Обрабатывают молочной сывороткой, а именно подсырной в количестве 80 л на 1 т отходов.

Обрабатывают субстрат так, как указано в примере 1, но вносят (10%) песка в количестве 2,4 т по расчету:

m_п=0,01·100·0,2·1200·10=2400 кг.

Приготовленную питательную среду вносят в количестве 7,2 т по расчету:

m_o=0,01·100·0,2·1200·30=7200 кг.

Вносят 80 мл бактериального препарата «Байкал-ЭМ-1» на 1 кв. м субстрата, то есть 8 л.

Проводят вспашку на глубину 0,2 м.

Вносят дождевых червей Lumdricidus rubellus в количестве, определяемом по формуле:

m_чс=1,4·100·0,2·1200·35/200=5880 кг.

Через 110 дней содержание нефти в загрязненных суглинках составило 1400±100 мг/кг. Для сравнения, в контроле для суглинков без обработки по заявляемому способу через 110 дней содержание нефти составило 8100±100 мг/кг.

Выживаемость дождевых червей в суглинках, обработанных по заявляемому способу, составила 72,4±1,5%, при этом выживаемость в необработанном субстрате 34,5±1,5%, прирост средней массы выживших особей составил 71,1 мг, в необработанном субстрате 28,4 мг, плодовитость соответственно составила 2,9 и 0,9 коконов/особь.

Далее образцы обработанных субстратов были засеяны кресс-салатом. Биомасса кресс-салата на обработанных суглинках составила 119±1% по сравнению с незагрязненным субстратом.

На фиг.4 представлена диаграмма биотестирования образцов субстратов

где: 1 - биомасса кресс-салата, полученная на свежезагрязненных суглинках,

2 - биомасса кресс-салата, полученная на суглинках без обработки по заявляемому способу,

3 - биомасса кресс-салата, полученная на незагрязненных суглинках,

4 - биомасса кресс-салата, полученная на суглинках, обработанных по заявленному способу.

Заявляемое техническое решение соответствует условию промышленной применимости.

Изобретение относится к области биотехнологии, а именно к способам очистки субстратов от нефтяного загрязнения. Использование данного способа позволяет повысить эффективность восстановления экологических функций нефтезагрязненных субстратов. Способ очистки и восстановления экологических функций субстратов, загрязненных нефтью и нефтепродуктами, заключается в том, что обрабатывают субстрат биопрепаратами и дождевыми червями аборигенных видов. Готовят питательную среду для дождевых червей, используя измельченный до размеров частиц 20-50 мм органический материал: листовой опад, лузгу подсолнечника и т.д., который обрабатывают молочной сывороткой в соотношении компонентов 40-80 л последней на 1 т органического материала. Вносят в субстрат, кроме песчаной почвы, разрыхлитель в количестве, обеспечивающем содержание кислорода в субстрате не менее 12%. Далее в субстрат вносят питательную среду в количестве 10-30% от массы, а затем - биоудобрение в количестве 70-90 мл на 1 м² субстрата. Проводят вспашку на глубину 0,1-0,4 м. 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ очистки и восстановления экологических функций субстратов, загрязненных нефтью и нефтепродуктами, заключающийся в том, что обрабатывают субстрат биопрепаратами и дождевыми червями, отличающийся тем, что дополнительно готовят питательную среду для дождевых червей, при этом по мере необходимости измельчают органический материал до размеров частиц 20-50 мм, обрабатывают его молочной сывороткой в соотношении компонентов: 40-80 л последней : 1 т органического материала и далее дополнительно обрабатывают субстрат, при этом последовательно вносят во все субстраты, кроме песчаной почвы, разрыхлитель в количестве, обеспечивающем содержание кислорода в субстрате не менее 12%, приготовленную питательную среду в количестве 10-30% от массы субстрата, биопрепарат, в качестве которого используют биоудобрение, восстанавливающее плодородие субстратов, в количестве 70-90 мл на 1 м² субстрата и проводят вспашку на глубину 0,1-0,4 м, а в качестве дождевых червей используют аборигенные виды, при этом массу внесенного червесубстрата определяют по формуле:
m_чc=K·S·h·ρ·G/Z,
где m_чс - масса червесубстрата, кг;
K - эмпирический коэффициент, учитывающий гибель особей дождевых червей, зависящий от типа субстрата и питательной среды, находящийся в пределах 1,1-1,4;
S - площадь обрабатываемого участка, м²;
h - глубина обработки субстрата, м;
ρ - плотность субстрата, кг/м³;
G - оптимальное количество дождевых червей в 1 кг субстрата, подбираемое эмпирически в зависимости от типа субстрата, количество особей/1 кг субстрата;
Z - исходное удельное количество особей в 1 кг продукта червесубстрата, количество особей/1 кг червесубстрата.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что на территории Юга России используют дождевых червей вида Lumbricidus rubellus.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве органического материала используют листовой опад, или лузгу подсолнечника, или плодовый жмых, или жом подсолнечный необрушенный, или ботву сельскохозяйственных культур, или вяленую траву, или отходы томатов, или отходы капусты, или виноградные выжимки.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве молочной сыворотки используют подсырную, или творожную, или казеиновую.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве разрыхлителя используют речной песок или опилки нехвойных пород деревьев.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве биопрепарата, восстанавливающего плодородие почв, преимущественно используют «Байкал ЭМ-1».