СПОСОБ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ ПОЧВ, ЗАГРЯЗНЕННЫХ НЕФТЕПРОДУКТАМИ Российский патент 2017 года по МПК B09C1/10 

Предлагаемое изобретение относится к области защиты окружающей среды, восстановления почв для сельского хозяйства, в частности к очистке почв, загрязненных нефтепродуктами, и может быть использовано для микробиологической очистки загрязненных почв непосредственно на месте загрязнения, либо на специально оборудованной площадке.

Ликвидация техногенной загрязненности почв нефтью и продуктами ее переработки является сложной и актуальной задачей охраны окружающей среды практически для всех нефтеперерабатывающих и транспортирующих нефтепродукты предприятий.

Альтернативой широко применяемым в настоящее время технологиям очистки загрязненных продуктами переработки нефти почв, в основе которых лежит термический метод утилизации или размещение загрязненного грунта на санкционированных полигонах промышленных отходов, является их биологическая очистка с помощью комплексного использования природных мелиорантов и биопрепаратов (биодеструкторов) на основе углеводородокисляющих бактерий. Данный способ позволяет за сравнительно короткое время утилизировать нефтяные углеводороды, трансформируя их в углекислый газ и безвредные для окружающей среды продукты.

Известен способ детоксикации грунта, загрязненного нефтепродуктами [Пат. №2475314 РФ, МПК В09С 1/10, БИ. №5, 2013 г.], заключающийся во внесении в него природного сорбента с биопрепаратом и создании экранирующей прослойки из биогумуса в нижней части загрязненного слоя. В качестве сорбента используют глауконит, а в качестве биопрепарата - поликультуру.

Недостатки указанного способа заключаются в высокой трудоемкости, необходимости экскавации и транспортировки загрязненного грунта на специально оборудованную площадку и неприспособленности данного способа к проведению детоксикации на больших земельных участках в условиях «in situ».

Известен способ очистки почвы от нефтяных загрязнений [Пат. 2354464 РФ, МПК В09С 1/10, C12N 1/26, БИ. №13, 2009 г.], заключающийся в обработке почвы смесью, содержащей нефтеразрушающие микроорганизмы, азотно-фосфорное удобрение и адсорбент, в качестве адсорбента используют проппант-керамические гранулы с разветвленной пористой структурой. Перед обработкой смесь замораживают, раскалывают на куски и в зимнее время вдавливают в загрязненную почву.

Недостатки указанного способа заключаются в высокой трудоемкости приготовления смеси углеродокисляющих микроорганизмов с проппантом и дальнейшем ее применении, в длительности реабилитационных мероприятий. Способ может быть использован в труднодоступных местах и только в зимнее время года.

Также известен способ биологической рекультивации нефтезагрязненной почвы [Пат. №2307869 РФ, МПК C12N 1/20, В09С 1/10, БИ, №28, 2007 г.], включающий известкование, внесение минеральных удобрений, обработку загрязненных участков биопрепаратом-нефтедеструктором, содержащим микробное удобрение-носитель в виде ферментированных отходов сельскохозяйственного производства и культуру бактерий, иммобилизированную на носитель, внесение семян и боронование.

Недостатки указанного способа заключаются в дополнительных финансовых затратах на использовании минеральных удобрений, извести и семян сельскохозяйственных культур, в трудоемкости и длительности реабилитационных мероприятий и невысокой эффективности.

Известен способ очистки почвы от нефти и нефтепродуктов, разработанный во ВНИГРИ [Пат №2429089 РФ, МПК В09С 1/10, БИ №26, 2011 г.], который заключается в обработке загрязненной почвы жидкой формой биопрепарата, включающего аэробные углеводородокисляющие бактерии (бактериальная культура Mycobacterium sp.5 КВ) в комплексе с азотно-фосфорно-калийным минеральным удобрением и рыбной мукой, которые являются питательной средой для жизни и активности бактериальной культуры.

Недостатком указанного способа является то, что он предусматривает только деструкцию токсичных нефтепродуктов и предотвращает их дальнейшее негативное воздействие на почву, но при этом не обеспечивает устранения уже нанесенного экологического ущерба.

Наиболее близким к предлагаемому является способ очистки почв от нефти и нефтепродуктов с помощью состава для биологической очистки почв (пат. РФ №2215596, МПК В09С 1/10, C12N 1/20, 2003 г.), содержащего в качестве консорциума микроорганизмов штаммы Rhodococcus 1418 Rhodococcus 1715 (0,04-0,06 мас. %) на твердом носителе-сапропеле (остальное). В виде густой суспензии смешивают родококки и природный сапропель влажностью 12%, смесь гранулируют, гранулы после возможного хранения рассыпают по поверхности загрязненной нефтепродуктами почвы из расчета 1-2 кг/м² в зависимости от степени загрязнения, после чего производят интенсивный полив почвы до ее полного влагонасыщения, чтобы разрушить гранулы и обеспечить наибольший контакт родококков с нефтепродуктами.

Недостаток известного состава и способа заключается в том, что далеко не все родококки из заявленного количества выживают при таком «жестком» контакте с твердым носителем при получении гранул и их хранении, а при рассыпании гранул по поверхности загрязненной почвы часть из них гибнет от солнечного облучения, что негативно сказывается на деструктивных возможностях состава. Кроме того, требуется пролив загрязненной территории большим количеством воды для разрушения гранул сапропеля и высвобождения микроорганизмов.

Устранить указанные недостатки позволяет способ биологической очистки почв, загрязненных нефтепродуктами, включающий внесение в загрязненную почву гранул сапропеля с иммобилизованными на нем как на твердом носителе микроорганизмами, подобранными по типу загрязнения, и полив реабилитируемой почвы водой, в котором согласно предлагаемому изобретению в загрязненную почву вносят гранулы сапропеля, непосредственно перед внесением обработанные в соотношении 1:0,015 по массе жидкой формой биопрепарата «Нафтокс» на основе аэробных углеводородокисляющих бактерий Pseudomonas aeruginosa - 12-Р или Pseudomonas citronelollis - 48-Y с рабочим титром использования биопрепарата - 10 в 8 кл/мл, после чего проводят незамедлительную культивацию реабилитируемой почвы с одновременным боронованием на глубину 25-30 см и последующим поливом водой из расчета доведения влажности почвы до 60%. Кроме того, гранулы сапропеля, обработанные биопрепаратом «Нафтокс», могут быть внесены в предварительно вспаханную загрязненную нефтепродуктами почву.

Решаемая предлагаемым изобретением задача заключается в повышении эффективности очистки нефтезагрязненных почв и восстановлении их плодородия благодаря комплексному применению жидкой формы биопрепарата на основе аэробных углеводородокисляющих бактерий рода Pseudomonas, предварительно иммобилизованных на носителе, природном мелиоранте - гранулированном сапропеле.

Микроорганизмы рода Pseudomonas особенно активны при деструкции нефти и нефтепродуктов в почве и одинаково легко используют моноциклические ароматические углеводороды (бензол, толуол, ксилол), альдегиды (формальдегид, ацетальдегид), спирты (метанол, глицерин) и другие более сложные соединения (Гальченко и др., 2008). Диапазон температур эффективной работы биопрепаратов серии «Нафтокс», как и любых других биопрепаратов, лежит в интервале 15-30°С. Природно-климатические условия средней полосы России вполне благоприятны для применения аэробных углеводородокисляющих микроорганизмов рода Pseudomonas при биологической очистке загрязненных нефтью и нефтепродуктами почв.

Природный сапропель содержит питательные микро- и макроэлементы, активизирующие микроорганизмы. После очистки почвы микроорганизмами от нефтяных загрязнений гранулы сапропеля не нужно удалять из почвы, так как под действием почвенных бактерий происходит минерализация сапропеля, при этом улучшается структура почвы, снижается ее кислотность, увеличивается буферность, повышается содержание гумуса, активизируется почвенная микрофлора, создавая тем самым позитивные предпосылки для использования очищенных почв в сельском хозяйстве А, поскольку гранулы сапропеля имеют коллоидную структуру, то они обладают значительной сорбирующей поверхностью.

Обработанный аэробными углеводородокисляющими бактериями гранулированный сапропель сочетает в себе свойства мелиоранта для почвы, сорбента для нефти и нефтепродуктов и носителя для иммобилизированных аэробных микроорганизмов, а также источника макроэлементов для процесса деструкции нефтепродуктов.

Обработка гранул сапропеля жидкой формой биопрепарата непосредственно перед внесением в загрязненную почву позволяет максимально сохранить жизнедеятельность и деструктивную активность микроорганизмов.

Соотношение микробного препарата и сапропеля (1:0,015 по массе) является оптимальным и обеспечивает стимуляцию роста числа бактерий после их внесения в загрязненную почву. При больших стартовых дозах микробного препарата затраты на реабилитацию почвы значительно возрастают, а эффективность очистки почвы от нефтепродуктов существенно не повышается.

Незамедлительная культивация с одновременным боронованием на глубину 25-30 см загрязненной почвы после внесения на ее поверхность гранул сапропеля, обработанных жидкой формой биопрепарата серии «Нафтокс», должна выполняться для того, чтобы предотвратить гибель микроорганизмов от солнечного облучения на поверхности почвы; уменьшить стартовое содержание нефтепродуктов в почве за счет разбавления при перемешивании загрязненного поверхностного слоя с нижерасположенной чистой почвой; улучшить аэрацию почвы, насытить ее кислородом и тем самым создать более благоприятные условия для развития интродуцированных аэробных углеводородокисляющих микроорганизмов; равномерно распределить обработанный биопрепаратом сапропель в очищаемой почве. Кроме того, задерненную или заросшую бурьяном загрязненную почву перед внесением обработанного биопрепаратом сапропеля необходимо вспахать.

Для осуществления предлагаемого способа в качестве твердого носителя для микроорганизмов был применен природный мелиорант - гранулированный сапропель, произведенный ООО ТПК «Камский сапропель» в количестве 2 кг/м². Рекомендуемая доза применения сапропеля основана на агрохимических нормах внесения этого вида мелиоранта в сельскохозяйственные земли.

Результаты комплексных химико-аналитических исследований сапропеля представлены в таблицах 1, 2.

Анализ результатов комплексных химико-аналитических исследований сапропеля (таблицы 1 и 2) показал, что по кислотности сапропель нейтральный; содержание органического вещества - 20,53%; содержание гуминовых кислот - 30,57%, фульвокислоты - 61,15%, гуминов - 8,28%; массовая доля влаги составляет 3,0%. Из трех основных элементов питания (азот, фосфор, калий) в сапропеле примерно одинаково содержится общего калия и общего азота: 1,04% и 1,05% соответственно. Содержание общего фосфора в сапропеле оставило 0,21%, что значительно меньше, чем содержание азота и калия. Емкость катионного обмена составляет 29,9 ммоль/100 г; содержание кальция (СаО) - 7,64%; содержание железа (Fe₂O₃) - 2,21%, серы (SO₃) - 1,78%. Содержание поллютантов в образце сапропеля не превышает установленные стандартом (ГОСТ Р 54000-2010, ГН 2.1.7.2042-06) требования и распределено следующим образом: марганец - 196,41 мг/кг (норматив не более 500 мг/кг для 1 класса пригодности); медь - 9,803 мг/кг (норматив не более 100 мг/кг для 1 класса пригодности); цинк - 56,781 мг/кг (норматив не более 300 мг/кг для 1 класса пригодности); свинец - 14,494 мг/кг (норматив не более 50 мг/кг для 1 класса пригодности); мышьяк - 1,164 мг/кг (ОДК 5 мг/кг); кадмий - 0,169 мг/кг (норматив не более 3 мг/кг для 1 класса пригодности). Содержание в сапропеле естественных радионуклидов (радия-226, тория-232 и калия-40) типичное для почв и сапропелей. Загрязнение образца сапропеля искусственными радионуклидами по стронцию-90 не обнаружено, а обнаруженные малые количества цезия-137 соответствуют глобальным выпадениям.

Таким образом, основываясь на результатах комплексных химико-аналитических исследований образцов сапропеля, требований ГОСТ Р 54000-2010 и санитарно-гигиенических нормативов, можно утверждать, что сапропель ООО ТПК «Камский сапропель» возможно использовать в качестве мелиоранта, способного выступать носителем для иммобилизированных аэробных углеводородокисляющих бактерий, выполнять функции органического удобрения, носителя макро- и микроэлементов, а также выступать в роли физического мелиоранта (разрыхлителя) в процессе биологической очистки почв от нефтепродуктов, а кроме того, он обладает сорбционной способностью по отношению к нефтепродуктам.

Для осуществления предлагаемого способа использованы образцы биопрепарата, произведенные на основе запатентованных Всероссийским нефтяным научно-исследовательским геологоразведочным институтом (ФГУП «ВНИГРИ») штаммов углеводородокисляющих микроорганизмов под торговой маркой «Нафтокс», имеющие следующие характеристики:

- микробный препарат №1 (Pseudomonas aeruginosa - 12-Р), основа биопрепарата - запатентованный штамм УОМ 12-Р, титр готового биопрепарата - 10 в 12 кл/мл, рабочий титр использования биопрепарата - 10 в 8 кл/мл;

- микробный препарат №2 (Pseudomonas citronelollis - 48-Y), основа биопрепарата - запатентованный штамм УОМ 48-Y, титр готового биопрепарата - 10 в 12 кл/мл, рабочий титр использования биопрепарата - 10 в 8 кл/мл.

Внесение в загрязненную нефтепродуктами почву гранулированного сапропеля, предварительно обработанного аэробными углеводородокисляющими микроорганизмами рода Pseudomonas, способствует формированию в ней центров активной деструкции нефтяных углеводородов благодаря сорбции на его поверхности культуры микроорганизмов.

Предлагаемый способ биологической очистки почв, загрязненных нефтепродуктами осуществляют следующим образом:

Пример 1. Загрязненную нефтепродуктами почву, содержащую 3 мас.% дизельного топлива, при необходимости перепахивают, затем вносят гранулированный сапропель в количестве 2 кг/м², непосредственно перед внесением обработанный (в пропорции 1:0,015 по массе) жидкой формой биопрепарата «Нафтокс» на основе штамма аэробных углеводородокисляющих бактерий Pseudomonas aeruginosa - 12-Р с рабочим титром использования биопрепарата - 10 в 8 кл/мл. Затем почву незамедлительно культивируют с одновременным боронованием на глубину 25-30 см. Дополнительно проводят полив реабилитируемой почвы водой из расчета доведения влажности почвы до 60% ППВ. Кислотность почвы близкая к нейтральной, температурный режим 25-29°С. Культивацию реабилитируемой почвы с одновременным боронованием в дальнейшем рекомендуется проводить через 3-5 дней после полива или сильных дождей, не допуская образования корки на ее поверхности. Степень деструкции нефтепродуктов в почве за 30 суток составила 63,5%, за 90 суток - 88,4%.

Пример 2. Загрязненную почву, содержащую 3 мас.% дизельного топлива, при необходимости предварительно перепахивают, затем вносят гранулированный сапропель в количестве 2 кг/м², непосредственно перед внесением обработанный (в пропорции 1:0,015 по массе) жидкой формой биопрепарата «Нафтокс» на основе штамма аэробных углеводородокисляющих бактерий Pseudomonas citronelollis - 48-Y с рабочим титром использования биопрепарата - 10 в 8 кл/мл. Затем почву культивируют и боронуют, доводят влажность почвы до 60% ППВ, как это описано в примере 1. Степень деструкции нефтепродуктов в почве за 30 суток составила 54,3%, за 90 суток - 86,2%.

После очистки загрязненной нефтепродуктами почвы гранулы сапропеля не удаляют.

Таким образом, предлагаемый способ в результате комплексного использования природного мелиоранта-сапропеля и биопрепарата «Нафтокс» на основе углеводородокисляющих бактерий рода Pseudomonas-биодеструкторов, трансформирующих нефтяные углеводороды в углекислый газ и безвредные для окружающей среды продукты, позволяет за сравнительно короткое время эффективно очистить почву от нефтепродуктов и восстановить ее структуру и плодородие.

Способ основан на использовании отечественных природного мелиоранта и биопрепарата.

Способ биологической очистки почв, загрязненных нефтепродуктами, включает внесение в загрязненную почву гранул сапропеля с иммобилизованными на нем как на твердом носителе микроорганизмами. Гранулы сапропеля непосредственно перед внесением обрабатывают в соотношении 1:0,015 по массе жидкой формой биопрепарата «Нафтокс» на основе аэробных углеводородокисляющих бактерий Pseudomonas aeruginosa - 12-Р или Pseudomonas citronelollis - 48-Y с рабочим титром использования биопрепарата - 10 в 8 кл/мл. После чего проводят незамедлительную культивацию реабилитируемой почвы с одновременным боронованием на глубину 25-30 см и последующим поливом водой из расчета доведения влажности почвы до 60%. Гранулы сапропеля, обработанные биопрепаратом «Нафтокс», могут быть внесены в предварительно вспаханную загрязненную нефтепродуктами почву. Предлагаемый способ с помощью комплексного использования природного мелиоранта-сапропеля и биопрепарата «Нафтокс» на основе углеводородокисляющих бактерий рода Pseudomonas - биодеструкторов, трансформирующих нефтяные углеводороды в углекислый газ и безвредные для окружающей среды продукты, позволяет за сравнительно короткое время эффективно очистить почву от нефтепродуктов и восстановить ее структуру и плодородие. 1 з.п. ф-лы, 5 табл., 2 пр.

1. Способ биологической очистки почв, загрязненных нефтепродуктами, включающий внесение в загрязненную почву гранул сапропеля с иммобилизованными на нем как на твердом носителе микроорганизмами, подобранными по типу загрязнения, и полив реабилитируемой почвы водой, отличающийся тем, что в загрязненную нефтепродуктами почву вносят гранулы сапропеля, непосредственно перед внесением обработанные в соотношении 1:0,015 по массе жидкой формой биопрепарата «Нафтокс» на основе аэробных углеводородокисляющих бактерий Pseudomonas aeruginosa-12-Р или Pseudomonas citronelollis-48-Y с рабочим титром использования биопрепарата - 10 в 8 кл/мл, после чего проводят незамедлительную культивацию реабилитируемой почвы с одновременным боронованием на глубину 25-30 см и последующим поливом водой из расчета доведения влажности почвы до 60%.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что гранулы сапропеля, обработанные биопрепаратом «Нафтокс», вносят в предварительно вспаханную загрязненную нефтепродуктами почву.