СПОСОБ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ ЛИТОРАЛЬНОЙ ЗОНЫ МОРЕЙ ОТ НЕФТЕПРОДУКТОВ Российский патент 2014 года по МПК C02F3/32 E02B15/04 

Изобретение относится к области экологии и охраны окружающей среды, и может быть использовано при очистке литоральной зоны от нефтяного загрязнения и хронических разливов нефти, в том числе при аварийных ситуациях (утечки нефти, нефтепродуктов, при их добыче и транспортировке).

Современные методы очистки воды от нефтяных загрязнений подразделяются на механические, химические, физико-химические и биологические. Механические и химические методы не обеспечивают достаточную эффективность очистки воды от нефти. Детергенты и эмульгаторы нефти часто являются высокотоксичными для морских животных, и их использование при нефтяных разливах может привести к большему вреду, чем от воздействия самой нефти. Кроме того, как удаление загрязненного нефтью грунта, так и сжигание нефти может привести к негативным последствиям для природных экосистем [6]. Наиболее распространенным методом очистки воды от нефти является биологический метод, основанный на использовании специальных микроорганизмов, питающихся нефтью и разрушающих ее. В настоящее время известно более тысячи микроорганизмов, способных перерабатывать углеводороды различных классов. Однако для их успешного продуцирования необходимы определенные стартовые условия, главным из которых является наличие определенных органических субстратов и биостимуляторов роста.

Известны три основных способа искусственного выращивания мидий в литоральной зане - выращивание на грунте, выращивание на грунте на донных устройствах, выращивание в толще воды на подвесных устройствах (метод подвесной марикультуры). Выращивание на грунте основано на перемещении мидий с естественных банок на заранее подготовленные участки морского дна, при этом моллюски доступны хищникам и паразитам. Выращивание в толще воды основано на прикреплении планктонных личинок к свободной поверхности - коллекторам (искусственным субстратам). После прикрепления личинки начинают расти до товарных размеров. В качестве коллекторов можно использовать устройства, устанавливаемые непосредственно на дне или же плавающие на поверхности или в толще воды. При выращивании в толще воды на донных устройствах в качестве коллекторов используют колья или сваи, которые параллельными рядами вбивают в грунт (метод «бушо»). Для увеличения свободной поверхности и предотвращения опадания моллюсков под собственным весом на поверхность кольев наносят дополнительные субстраты: ветки, веревки, сетчатые мешки. Поскольку выращивание мидий осуществляют в пищевых целях, то для получения доброкачественной продукции их культивирование должно осуществляться в достаточно чистых прибрежных водах, не подверженных сильному антропогенному загрязнению, осуществляя периодический санитарно-микробиологический контроль.

Известны различные способы биологической очистки морской среды с помощью создания искусственных рифов, используемых в качестве искусственного субстрата и механического стимулятора развития биоценоза. В настоящее время в различных странах мира создают искусственные рифы путем затопления в море старых кораблей, списанной военной техники и самолетов, бетонных блоков, строительных отходов и пр. На рифах размножаются водоросли, рыбы, раки, моллюски, интенсивно развивается планктон, а рыбы продуктивно нерестятся. Созданная таким образом обильная морская флора и фауна начинает интенсивно очищать морскую воду. Известны различные виды искусственных рифов из бетонных блоков (патенты РФ на изобретения №2377770 от 28.05.2008, №2314386 от 05.06.2006 г., №2302730 от 26.09.2005 г.), которые выполнены в виде трехмерной пространственной структуры, состоящей из колонок и рядов бетонных модулей, проницаемых для волн. Модули имеют различную форму. Конструкции рифов из бетонных блоков создают благоприятные условия для их обрастания макрофитами, мидиями и др. моллюсками, а также заселения их другими морскими обитателями. Возможность трехмерного варьирования размеров искусственных рифов позволяет изготавливать их в соответствии с гидродинамическими условиями акватории. Однако создание искусственных рифов достаточно трудоемкий и дорогостоящий процесс, активная поверхность для заселения основными фильтраторами - моллюсками недостаточно большая, риф будет заноситься осадком и неизбежно захораниваться в грунте, что снижает эффективность очистки литоральной зоны морей с помощью рифов. Проблема и в том, что невозможно предсказать места разлива нефтепродуктов, поэтому фактически вся прибрежная зона должна содержать искусственные рифы. Несомненно, что хотя рифы в любом случае осуществляют биоочистку вод, но процесс заселения рифов и их функционирования происходит неконтролируемо, их эффективность предсказуема только на начальных стадиях обрастания.

Наиболее близким является способ очистки морской среды от нефти, нефтепродуктов и других загрязнителей морскими беспозвоночными - фильтрующими гидробионтами, а именно, черноморской мидией (Миронов О.Г. Биологические ресурсы моря и нефтяное загрязнение. - М., 1972, с.79-81). Мидии помещают в места разлива нефти. Фильтруя морскую воду, мидии освобождают ее от эмульгированной нефти. Недостатком данного способа является его низкая эффективность, т.к. установки с морскими беспозвоночными размещены хаотично и, к тому же, не захватывают наиболее загрязненный нефтью приповерхностный слой воды. Поэтому нефтепродукты быстро распространяются по акватории и тем самым затрудняется очистка морской среды.

Заявляемый способ, как и известные, включает размещение морских беспозвоночных в места загрязнения нефтью, нефтепродуктами.

Заявляемый способ направлен на совершенствование способов биологической очистки морской среды от загрязнений нефтепродуктами путем ее естественной очистки с использованием водных животных.

Техническим результатом является существенное повышение надежности и эффективности очистки литоральной зоны, а также прибрежных мелководий или мелководной береговой кромки морей за счет локализации и биодеградации выбросов нефти и нефтепродуктов с помощью гидробионтов и создание устойчивой к загрязнителям биосистемы; ускорение и упрощение процесса очистки и, соответственно, снижение ее себестоимости и экологических последствий загрязнения.

Технический результат достигается тем, что параллельно береговой полосе вбивают не менее четырех рядов свай или столбов, на каждые два ряда которых в направлении от берега к морю в виде клиньев, располагая клинья в шахматном порядке, натягивают крупноячеистое сетное полотно с двустворчатыми моллюсками, выращенными на нем ранее или подсаженными после установки конструкции. В качестве двустворчатых моллюсков могут быть использованы мидии. При аварийном разливе нефтепродуктов предварительно выращенные моллюски могут быть размещены в сетчатых садках диаметром 0,4-0,6 метров под бонами нефтяных заграждений и на столбах или сваях в литоральной зоне. На мягком грунте, если дополнительно могут быть размещены такие виды моллюсков, как макомы, мии, кардиумы. Макомы, мии, кардиумы могут быть размещены под установленными на грунте бетонными перекрытиями.

Способ (варианты) поясняется с помощью схем, где на фиг.1 представлена схема размещения двустворчатых моллюсков в литоральной зоне моря по первому независимому пункту формулы, на фиг.2 представлена примерная схема размещения водных беспозвоночных в литоральной зоне морей при аварийных разливах нефтепродуктов по третьему пункту формулы.

Способ по первому независимому пункту формулы применим в местах потенциально неизбежного нефтяного загрязнения - в районах возможных хронических нефтяных разливов в береговой полосе: вблизи терминалов, портов, выходов трубопроводов, мест перегрузки танкеров и т.п. и заключается в следующем.

Параллельно береговой полосе 1 вбивают не менее 4-х рядов свай 2, на которых, от сваи к свае, короткими участками натягивают крупноячеистое сетное полотно 3 в направлении от берега к морю в виде клина. При этом просвет между полотнами (коридор) должен быть шире со стороны берега и уже с морской стороны, для лучшего профильтровывания загрязненных вод. Такие клинья на сваях ставятся в шахматном порядке. Они намного дешевле и удобнее искусственных рифов, на сетях и сваях количество размещенных моллюсков всегда больше, так как многократно больше активная поверхность для их размещения, чем на бетонных рифах. Такая схема и конструктивное исполнение устройств для размещения двустворчатых моллюсков обеспечивает существенное повышение надежности и эффективности очистки литоральной зоны.

Для защиты или очистки литоральной зоны при аварийных нефтяных разливах дополнительно применяются способы по третьему - пятому зависимым пунктам формулы. Заранее выращенные в аквакультуре моллюски (например, мидии, выращиваемые методом подвесной марикультуры для очистки сточных вод городов и поселков прибрежной зоны морей), при возникновении аварийной ситуации вдали от берега размещаются в тех местах прибрежной зоны, куда перемещается нефтяное пятно и/или которые важно защитить в определенных целях (например, продуктивные или рекреационные зоны). В литоральной зоне устанавливают боновые заграждения 4 постоянной плавучести любой конструкции (боны заградительные нефтеограждающие), под бонами 4 подвешивают сетчатые садки 5 диаметром 0,4-0,6 метров с размещенными в них моллюсками. Это позволяет очищать приповерхностный слой воды на литорали во время прилива. Для очистки как верхнего, так и нижнего придонного слоя воды в литоральной зоне вбивают в грунт 6 сваи и/или столбы 7, на них также подвешивают сетчатые садки диаметром 0,4-0,6 метров с размещенными в них моллюсками. При выращивании маком, мий, кардиумов их размещают на мягком (илисто-песчаном) грунте, повышая тем самым плотность их поселений для более быстрого очищения и рекультивации грунта. Выбранный диапазон размеров сетчатых садков 5 диаметром 0,4-0,6 метров (оптимальным является 0,5 м) с размещенными в них моллюсками позволяет сохранить заградительным бонам плавучесть и, тем самым, выполнение их функций. Подвешиванием садков на сваях или столбах обеспечивается их фиксация в нужном месте. Таким образом, моллюски, выращиваемые как в обычной аквакультуре, так и, в частности, на сточных водах, могут в случае необходимости быть перемещены в зоны аварийных разливов. При этом применение мидий и других фильтраторов в подвесной культуре или садках возможно и после выброса нефти или нефтепродуктов в зону литорали. Для ускорения очистки мягких грунтов в прибойных зонах можно установить на дне бетонные перекрытия 8 П-образной формы, под которыми размещают такие виды морских беспозвоночных, как макомы, мии, кардиумы.

Несомненно, что моллюски не способны полностью заменить механические методы сбора тяжелых нефтяных фракций, особенно когда они присутствуют в большом количестве (например, слои мазута свыше 10 см требуют механической уборки). Однако методы биовосстановления (bioremediation) совершенно незаменимы при дальнейшей доочистке береговой (литоральной) зоны, так как они работают экологически бережно, постоянно и эффективно практически в любых условиях, где могут выжить микроорганизмы и животные.

Экспериментально показано, что в условиях северных морей полная биодеградация пятна мазута толщиной 3-5 см вместе с процессом физического выветривания занимает от 2 до 4 недель в зависимости от сезона.

Технический результат достигается за счет следующего.

В присутствии толерантных е нефтяному загрязнению водных беспозвоночных, то есть под влиянием их жизнедеятельности, происходит ускорение очищения грунта литоральной зоны и омывающей ее толщи воды от нефтяного загрязнения (как сырой нефтью, так и нефтепродуктами - мазут, дизтопливо). Прежде всего, это организмы-фильтраторы (от зоопланктона до макробентоса). Наиболее изучены в этом отношении двустворчатые моллюски, они же являются наиболее мощными фильтраторами.

Воздействие моллюсков на процесс биоочистки происходит тремя путями:

1) Аккумуляция частичек нефти из воды вместе с сестоном (комплексной взвесью), путем их отфильтровывания или собирания (с поверхности грунта) и связывания (агглютинирования) их (без поглощения) в жгуты выделяемых псевдофекалий, осаждаемые на дно. Псевдофекалии обогащены выделяемым моллюском секретом и потому эффективно перерабатываются микроорганизмами.

2) Поглощение частичек нефти вместе с сестоном. В этом случае после прохождения через пищеварительный тракт и переваривания (частичного или полного) нефтеуглеводороды попадают в выделяемые короткие палочки фекалий, а также накапливаются в теле моллюска. Оседающие на грунт фекалии представляют органо-минеральные комплексы, содержащие продукты пищеварения (включая секреты-ферменты) и потому также легко утилизируются природными микробами.

3) Выделяемые моллюском жидкие метаболиты (РОВ) оказывают сильное стимулирующее воздействие как на развитие фитопланктона, так и бактериопланктона и бактериобентоса, вызывают усиление их роста и, соответственно, напрямую ускоряют микробное биоокисление нефтепродуктов (биодеградацию).

Экспериментально установлено, что в присутствии повышенных концентраций таких моллюсков как мидии и макома, а также рачков-балянусов, очищение литоральной зоны и прибрежных вод происходит быстрее и в несколько раз сильнее и эффективнее, чем на аналогичных участках, бедных этими животными.

Таким образом, искусственное заселение литоральной зоны определенными видами водных животных (или их выращивание в литоральной зоне) обеспечивает повышение надежности и эффективности очистки литоральной зоны морей за счет локализации выбросов нефти и нефтепродуктов и ускорения процессов их биодеградации, а также создает все условия для развития устойчивой к загрязнению биосистемы, т.е. способствует ускорению процесса очистки и, соответственно, снижению ее себестоимости, как и последствий загрязнения.

Выполнение клиньев с просветом или щелью между сетными полотнами (коридором), шире со стороны берега и уже с морской стороны, обеспечивает лучшее профильтровывание и, соответственно, очистку загрязненных вод. Открытые, а не замкнутые (заостренные) клинья и крупные ячеи предотвращают забивание сети мусором, обрывками водорослей и т.д., что также обеспечивает повышение надежности и эффективности очистки, снижение ее себестоимости.

Кроме того, некоторые моллюски обладают высокой устойчивостью к различным видам загрязнения, в том числе нефтяным и, как следствие их низкой способность к поддержанию постоянства внутренней концентрации веществ, накапливают загрязняющие вещества в организме.

Все это подтверждают совместные российско-финские полевые эксперименты, проведенные на литорали Кольского залива Баренцева моря, в результате которых было исследовано влияние сырой нефти на донную фауну после экспериментального (искусственного) нефтяного разлива.

Для изучения воздействия нефтяного загрязнения на донных животных и процессов деструкции сырой нефти на литорали губы Белокаменная Кольского залива был применен метод изолят - отгороженных площадок. До разлива нефти на одной экспериментальной площадке (ЭП) плотность моллюсков Macoma balthica была искусственно увеличена вдвое, на этой площадке были размещены также 2 садка с мидиями, другая площадка была контрольной. К концу эксперимента, спустя 3 недели с момента разлива, никаких значимых токсических эффектов воздействия сырой нефти на донных беспозвоночных ЭП не отмечено. При этом процесс уменьшения концентрации нефти на площадке с повышенной концентрацией биологического материала шел в 5-10 раз интенсивнее, чем на контрольной площадке.

Результаты эксперимента показали, что в присутствии донных организмов очистка грунта от нефти происходит быстрее, а ее токсическое действие незначительно относительно участка, не имеющего обильной донной фауны. Данный процесс был назван автором зоовосстановление или зооремедиация (от англ. zooremediation).

Заявляемый способ биологической очистки технически прост, универсален, может использоваться для очистки литоральной зоны, а также прибрежных мелководий или мелководной береговой кромки неприливных морей от загрязнения нефтью, нефтепродуктами, а также иными токсическими веществами (включая соединения тяжелых металлов).

Изобретение относится к биотехнологии. Предложен способ биологической очистки литоральной зоны морей от нефтепродуктов. Способ включает размещение двухстворчатых моллюсков в места загрязнения нефтью и нефтепродуктами. В местах загрязнения параллельно береговой полосе вбивают не менее четырех рядов свай или столбов. На каждые два ряда свай или столбов в направлении от берега к морю в виде открытых клиньев, располагая клинья в шахматном порядке, натягивают крупноячеистое сетное полотно с моллюсками. Моллюски на сетном полотне выращены на нем ранее или подсажены после установки конструкции. Техническим результатом является повышение надежности и эффективности очистки литоральной зоны, а также прибрежных мелководий или мелководной береговой кромки моря. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ биологической очистки литоральной зоны морей от нефтепродуктов, включающий размещение двухстворчатых моллюсков в места загрязнения нефтью и нефтепродуктами, отличающийся тем, что параллельно береговой полосе вбивают не менее четырех рядов свай или столбов, на каждые два ряда которых в направлении от берега к морю в виде открытых клиньев, располагая клинья в шахматном порядке, натягивают крупноячеистое сетное полотно с моллюсками, выращенными на нем ранее или подсаженными после установки конструкции.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве двустворчатых моллюсков используют мидии.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при аварийном разливе нефтепродуктов предварительно выращенные моллюски размещают в сетчатых садках диаметром 0,4-0,6 м под бонами нефтяных заграждений и на столбах или сваях в литоральной зоне.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что на илисто-песчаном грунте дополнительно размещают такие виды моллюсков, как макомы, мии, кардиумы.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что макомы, мии, кардиумы размещают под установленными на грунте бетонными перекрытиями.