Кузнецов А.Е., Градова Н.Б., Лушников С.В. и др. Прикладная экобиотехнология. Учебное пособие. В 2-х томах

Технология биостимулирования с применением цеолитов может быть использована и в неблагоприятных почвенно-климатических условиях северных регионов.

При очистке от нефти воды и донных отложений по технологии, разработанной НТО «Приборсервис», работы проводятся в течение двух летних сезонов. На первом этапе собирается нефть с поверхности воды и донных отложений. Второй этап работ предусматривает активирование самоочищающей способности водной экосистемы. Биологический этап работ может начинаться и в первый сезон очистных работ, на участках водоема, где отсутствует нефть на поверхности воды и на поверхности донных отложений.

Мероприятия, направленные на стимулирование самоочищающей способности, включают расстановку на поверхности водоема «активных» бонов, аэрацию воды, внесение минеральных удобрений и цеолитов, установку сооружений для сброса воды из искусственных водоемов в естественные водоемы и водотоки или в случае необходимости на грунт.

«Активные» боны представляет собой субстрат для развития аборигенной нефтеокисляющей микрофлоры, содержащий цеолиты (2–25%), органические вещества (55–96%) и минеральные удобрения (2–20%). В качестве сорбирующих нефть боновых наполнителей могут применяться природные органические сорбенты: торф, сухой мох, солома и др. Активирующий состав (цеолиты и минеральные удобрения) располагается в активных бонах таким образом, чтобы обеспечивалось постепенное растворение минеральных удобрений.

«Активные» боны расставляются на поверхности водоема по схеме, обеспечивающей равномерность сорбции пленки нефти с учетом ее перемещения по поверхности воды под действием ветра и/или течения (для проточных озер). В зависимости от морфометрических показателей водоема и степени загрязнения воды и донных отложений нефтью на водной поверхности располагается 30–80 секций на 1 га «активных» бонов, каждая секция размером 40 80 20 см.

В водоемах, имеющих поверхностный сток, «активные» боны расставляются на 30–50 м участке сточного водотока. В зависимости от ширины водотока их количество может варьировать от 40 до 120 секций на всем протяжении участка.

Аэрация воды проводится с целью обеспечения углеводородокисляющих микроорганизмов кислородом, перемешивания температурных слоев водоема, и как следствие, увеличения температур придонных слоев воды и активизации нефтеокисляющей донной микробиоты. На участке работ устанавливается количество аэраторов, обеспечивающее содержание кислорода в поверхностных водах не менее 4,0 мг/л, в придонных слоях не менее 0,5–1,0 мг/л.

Внесение минеральных удобрений и цеолитов позволяет активировать процессы микробиологической деструкции нефти. Удобрения обеспечивают биогенными элементами микроорганизмы и водные растения и способствуют образованию первичной продукции. Азотные удобрения вносят в воду при наступлении устойчивой температуры воды выше 16 оС. Для оптимального развития микроорганизмов и водорослей в воде водоема создается концентрация азота в пределах 2–3 мг/л, концентрация фосфора – 0,5 мг/л. В качестве фосфорного удобрения используется суперфосфат.

Схема очистки воды при необходимости сброса загрязненных вод в естественные водоемы и водотоки представлена на рис. 7.5.

Рис. 7.5. Схема очистных сооружений для удаления остаточных загрязнений из сбрасываемых вод очищаемых водоемов

Вода подается в приемную емкость (1), в которой происходит осаждение минеральных частиц и концентрируется нефтяная пленка. Отстоявшаяся вода через гидрозатворный тип слива, предотвращающий слив нефтяной пленки, подается из емкости 1 на решетчатый желоб и сливается в гравийно-песчаную секцию 2 таким образом, чтобы она обогащалась кислородом без принудительной аэрации. Далее вода поступает в блок очистки, представляющий собой фильтр с плоскостной загрузкой из органического промышленного сорбента (3). На заключительном этапе вода поступает в емкости (4), где находятся «активные» боны.

При использовании данной технологии за два летних сезона достигалось снижение концентрации нефти в воде до ПДК, установленной для воды хозяйственно-питьевого и культурно-бытового назначения (0,3 мг/л), а в донных отложениях (слой толщиной 0–20 см) – до 3 г/кг. При этом активировались естественные самоочищающие процессы водоема.

Э т а п I V б . Биологическая очистка – метод аугментации (применение биопрепаратов)

Эффективное применение биопрепаратов, основой которых являются жизнеспособные клетки микроорганизмов-нефтедеструкторов, при обработке почвы in situ в сочетании с агротехническими приемами возможно при уровне загрязнения почвы нефтью, не превышающем 3–10% по объему. Наибольший эффект достигается на песчаных почвах. Препараты на органических носителях целесообразнее использовать на плотных глинах, суглинках; биопрепараты без носителя, вносимые в виде суспензий микробных клеток, – на песчаных почвах, рыхлых субстратах.

При ex situ обработке на площадках биопрепараты эффективны для очистки сильно замазученных почв, с высоким содержанием тяжелых фракций нефти.

Используемые микробиологические препараты должны иметь соответствующее санитарно-гигиеническое заключение и паспорт (сертификат).

Содержание работ при in situ очистке почвы с применением биопрепаратов во многом аналогично содержанию работ при очистке почвы методом биостимулирования. Биорекультивационные работы осуществляются на основании проекта, в котором приводятся технологические карты (табл. 7.2).

Таблица 7.2.

Образец технологической карты ремедиации нефтезагрязненной почвы (по Б. Г. Мурзакову, 2005)

Исходные данные: площадь 1 га; загрязнение – мазут в количестве 100 т; характеристика объекта – понижение рельефа, растительность отсутствует, глубина проникновения мазута 10–40 см; продолжительность очистных работ – 4 мес.

После отбора и анализа почвенных проб проводят расчет требующихся количеств минеральных удобрений, дозы и общей потребности в биопрепарате, осуществляют доставку минеральных удобрений, биопрепаратов, необходимой техники для проведения агротехнических работ, приготовления и внесения рабочих растворов препаратов, аэрации емкостей и т. п., составляют графики агротехнических работ, полива почвы для поддержания оптимальной влажности, повторного внесения минеральных или органических удобрений, поверхностноактивных веществ, мелиорантов, биологически активных соединений и других дополнительных компонентов.

Количество биопрепарата определяется исходя из установленных сроков очистки и уровня загрязнения и составляет 1 часть биопрепарата на 100– 10 000 частей углеводородов нефти. Время очистки увеличивается при снижении дозы биопрепарата и титра живых клеток, возрастании уровня загрязнения, отклонении температуры, рН, влажности и других факторов от оптимальных значений.

При прочих равных условиях наибольшее количество биопрепаратов требуется для утилизации сырой нефти и мазута, наименьшее – для утилизации жидких парафинов, светлых нефтепродуктов.

Перед внесением биопрепарата осуществляют вспашку почвы, внесение мелиорантов и структураторов, стартовой дозы минеральной подкормки. Раствор минеральной подкормки вносят в почву за 2–3 сут до обработки биопрепаратом.

По окончании агромелиоративных работ готовят рабочую суспензию биопрепарата. В препаратах, поставляемых в виде порошков, микроорганизмы на-

ходятся в состоянии покоя. Для получения активных клеток необходимо осуществить их мягкий вывод из покоящегося состояния. При проведении очистных работ в полевых условиях для перевода клеток в активное состояние отмеренное количество порошка биопрепарата разводят в воде с добавленными минеральными солями (например, с аммофоской или диаммофоской) при типичном соотношении биопрепарата и воды 1 : 10 – 1 : 50. Содержание азота (в форме NH4+) в рабочей суспензии должно составлять 0,3–0,7 кг действующего вещества в 1 м3, фосфора (Р2O5) – 0,3–0,6 кг на м3, калия (K2О) – 0,25–0,35 кг на м3. Полученную базовую суспензию перемешивают в течение 4–18 ч при барботировании воздуха и температуре 20–30 оС. Срок хранения суспензии не более 5 сут.

Приготовленная базовая суспензия активированного биопрепарата, помещенная в емкость для приготовления рабочей суспензии, разбавляется технической водой в 100–1000 раз (степень разбавления зависит от способа внесения биопрепарата и используемых технических средств); в нее добавляют расчетное количество минеральных удобрений (50–200 кг аммиачной селитры, аммофоса или диаммофоса на 1 га в зависимости от уровня загрязнений, содержания биогенных элементов в почве), и содержимое многократно перемешивается по мере обработки загрязненных объектов. Промывочные воды после использования рабочего раствора сливают на загрязненную почву или воду.

После подготовительных мероприятий биопрепарат вносят на загрязненный участок из расчета 6–10 л суспензии на 1 м2 очищаемой поверхности. Обработка рабочими суспензиями небольших площадей проводится вручную, а при значительных поверхностных загрязнениях – с помощью дождевальных установок, поливочных и пожарных машин, насоса (брандспойта) для подачи рабочего раствора на поверхность. Для обработки обширных загрязненных территорий может использоваться сельскохозяйственная авиация. Биообработку следует проводить в утреннее или вечернее время или в пасмурную погоду. Биопрепарат запахивается в грунт, поскольку температура окружающей среды выше 40 оС и солнечная радиация угнетают микроорганизмы биопрепарата.

Если предварительная обработка загрязненных участков болот и почв перед внесением биопрепарата невозможна, то тогда используют многократную обработку биопрепаратами с корректировкой pH и внесением удобрений.

Активный процесс биодеструкции протекает за 3–10 недель, затем наблюдается медленное снижение содержания углеводородов нефти. На начальных стадиях скорость биодеструкции может быть повышена повторными внесениями препарата (в 2–3 приема) в рекомендуемых или повышенных дозах. Минеральную подкормку путем внесения в почву раствора минеральных удобрений (50–200 кг аммиачной селитры, аммофоса или диаммофоса на 1 га) вносят через 3–4 недели после первого внесения биопрепарата. Нормы внесения биопрепаратов и минеральных удобрений корректируются в процессе очистки объектов, исходя из результатов контрольных определений содержания нефтепродуктов, азота и фосфора в почве.

При невозможности рыхления грунта и при постоянном поступлении углеводородов на его поверхность (например, на железнодорожные пути) рабочая суспензия биопрепарата вносится на поверхность грунта систематически.

При концентрации нефтезагрязнений в почве более 5% для полной очистки, как правило, требуется 2–3 сезона. Это значительно увеличивает стоимость ремедиации. Для улучшения технико-экономических показателей метода биоаугментации возможно предварительное внесение структураторов до 5% для снижения концентрации нефтезагрязнений, что позволяет провести биоремедиацию в более короткие сроки – за 1–2 сезона.

С помощью методов биостимулирования и использования биопрепаратов можно удалить до 90–98% загрязнений. Оставшиеся углеводороды, смолы, асфальтены, битумы и другие высокомолекулярные соединения устойчивы к биологическому разложению, но инертны и малоопасны для окружающей среды.

Удаление остаточных углеводородных загрязнений с поверхности водоемов, из грунтовых вод, резервуаров с использованием биопрепаратов проводят с добавлением минеральных удобрений. Поверхность водоемов обрабатывают активированной рабочей суспензией биопрепарата. Внесение на большие водные пространства производят с помощью разбрызгивающих и распылительных устройств, которыми оборудуют речные и морские суда, или с помощью сельскохозяйственной авиации. Небольшие водоемы обрабатывают с берегов при помощи пожарных брандспойтов.

Аэрация загрязненного слоя осуществляется за счет естественного перемешивания. В небольших водоемах и резервуарах производится барботирование воздуха. Для поддержания концентрации кислорода в воде на уровне 2–5 мг/л воздух нагнетают в водные среды со скоростью 0,1–0,5 м3 воздуха/м3 среды в мин. При очистке резервуаров воздух могут подогревать до 28–37 °С.

Применение биопрепаратов на основе свободных клеток микроорганизмовдеструкторов для очистки водных поверхностей не очень эффективно: действующее начало после внесения тонет, а внесение биомассы и минеральной подкормки может послужить причиной эвтрофикации водоемов.

Для обеспечения микроорганизмов источниками азота и фосфора и для предотвращения вымывания минеральных солей можно использовать удобрения пролонгированного действия и так называемые «олеофильные удобрения». Такие удобрения изготавливаются в виде гранул и представляют собой комбинации парафинированной мочевины и октилфосфата, фосфатов, заключенных в капсулы из растительного масла, и изобутиленкарбамида, гидролизующегося с выделением мочевины под действием микробного фермента уреазы. Используются также MgNH4PO4, заключенный в парафин, органическое фосфатное удобрение фосфат-2-этилгексилполиэтиленоксид и др. Олеофильные гранулированные удобрения распределяются на поверхности воды в количестве около 100 г/м2, не тонут и снабжают питанием углеводородокисляющие микроорганизмы.

Для повышения эффективности очистки резервуаров дополнительно с минеральными удобрениями применяют различные поверхностно-активные вещества, эмульгирующие углеводороды в воде.

Ликвидация остаточных нефтезагрязнений на поверхности воды более эффективна при использовании биопрепаратов на основе носителей с иммобилизованными клетками.

В качестве носителя используют растительные или гидрофобные материалы. Так, биопрепарат «Сойлекс» (см. табл. 4.5) содержит гидрофобный торф с сорбционной емкостью в среднем 6 г/г сорбента. Биопрепарат в дозе 10–20 г/ м2 (доза зависит от толщины пленки нефти на поверхности воды) смешивают с носителем в пропорции 1 : 25 и обрабатывают поверхность водоема. Через 36–48 ч насыщенный нефтепродуктами сорбент-носитель извлекают из водоема и размещают на рекультивационной площадке с целью утилизации нефтезагрязнений иммобилизованными в торфе микроорганизмами. Обработку водоема проводят многократно до исчезновения радужной пленки с зеркала воды. Параллельно с очисткой поверхности водоема проводят очистку береговой зоны по технологической схеме очистки почвы методом on site.

Рекультивационная площадка для очистки нефтесодержащих почв, грунтов, нефтешламов и отходов должна соответствовать требованиям СНиП 2.01.28–85 «Полигоны по обезвреживанию и захоронению токсичных промышленных отходов».

Площадка рекультивации включает:

площадку приемки и временного размещения нефтезагрязненных отходов;

участок сортировки и предварительной подготовки;

площадку для биообработки нефтезагрязненных отходов;

площадку для складирования очищенного материала;

помещение для складирования минеральных солей, биопрепарата, структураторов;

контейнеры для размещения мусора, выбранного из поступивших отходов. Площадка рекультивации располагается на оборудованной территории в подветренной зоне, гидроизолирована, имеет бетонное основание или покрыта водонепроницаемой пленкой, имеет автономный ливнесток с уклоном к системе очистки. Для исключения возможности вытекания поверхностного стока площадка обваловывается. Высота обваловки не менее 1,5 м от основания. По дну и откосам обваловки сооружается противофильтрационный экран из мятой глины (коэффициент фильтрации не выше 0,001 м/сут) толщиной 0,5 м. Экран из глины укладывается по уплотненному грунтовому основанию. Защитный экран может быть выполнен из железоили асфальтобетона с битумным

покрытием.

Нефтесодержащие отходы доставляются на площадку приемки и временного хранения любым видом транспорта.

До начала очистки нефтесодержащие отходы обследуются и сортируются. В процессе обследования материалов, поступающих на площадку рекультивации для биологической очистки, определяются физические и физико-хими- ческие свойства партии нефтезагрязненного сырья (твердые, пастообразные и жидкие, pH, гранулометрический состав, растворимость в воде, смачиваемость), содержание нефтезагрязнений, биогенных элементов, наличие и численность микроорганизмов-нефтедеструкторов.

В ходе сортировки из нефтесодержащих материалов выбирают посторонние включения (строительный мусор, металлолом и т. п.), сортируют по консистен-

ции и виду нефтяного загрязнения (легкие, тяжелые фракции), свежие или застарелые загрязнения.

Сортированный материал при необходимости смешивают со структураторами или мелиорантами и размещают на площадках рекультивации слоем не более 0,5 м. Под ним на расстоянии 100 мм могут укладывать перфорированные трубы диаметром 50 мм, через которые компрессором нагнетают воздух для равномерной аэрации всего слоя.

Этап биологической очистки осуществляется аналогично методу обработки нефтезагрязненной почвы с внесением биопрепарата, минеральной подкормки, при перемешивании и увлажнении смеси не реже одного раза в неделю. За 3 месяца содержание нефтепродуктов в очищаемых почвах (грунтах) снижается на 75–90%. Использование покрова из полиэтиленовой пленки обеспечивает более высокую скорость биодеструкции загрязнений в обрабатываемом материале. В этом случае на площадке рекультивации можно осуществить 4 полных цикла биологической очистки в течение теплого времени года (с марта по октябрь).

Очищенный материал приравнивается к категории инертных промышленных отходов, относящихся к IV классу опасности. С площадки рекультивации он может возвращаться на место выемки, вывозиться и размещаться на полигонах складирования твердых отходов, использоваться при послойной засыпке в качестве изолирующего и рекультивационного слоя, для отсыпки дорог, ликвидации оврагов, создания газонов.

Э т а п V . Химический контроль за процессом ремедиации

Ход проведения работ при ремедиации контролируется на всем протяжении процесса очистки от нефтепродуктов. Отбор проб производится до начала проведения, во время очистных работ, а также при сдаче очищенных и рекультивированных объектов.

При очистке почвы контролируют содержание нефти, нефтяных углеводородов (как правило, сумму растворенных, эмульгированных и сорбированных форм), влажность почвы, pH водной вытяжки, содержание биогенных элементов (азот, фосфор, калий), сульфатов, хлоридов в водной вытяжке, определяют фитотоксичность, общую численность микроорганизмов и численность углеводородокисляющих микроорганизмов. Пробы грунта с поверхности участка отбираются согласно установленным правилам и стандартам из слоев толщиной 0–10 см и от 10 см до глубины проникновения нефти (определяется визуально). Пробы отбираются с частотой не менее одной объединенной пробы с площади 0,5–1,0 га по координатной сетке. В актах отбора проб указываются их номера

икоординаты.

Вводе химическими методами, наряду с определением содержания углеводородов, определяют БПК, ХПК, содержание аммонийного азота, нитриты, нитраты, фосфор. Высокие уровни аммонийного азота, нитритов, нитратов и фосфора в водоеме могут быть следствием применения биопрепаратов с минеральной подкормкой, содержащей азот и фосфор.

Количественныйхимическийанализотобранныхобразцовпроводятваккредитованных лабораториях (центрах) экологического контроля. При завершении

процесса рекультивации и приемки объекта проводится токсико-экологическая экспертиза образцов, отобранных с очищенных объектов.

На основании полученных результатов количественного химического и токсикологического анализа оцениваются экологическая эффективность проведенных работ, потенциал дальнейшего самовосстановления объекта и степень его воздействия на окружающую среду.

О качестве очистки от нефти или нефтепродуктов можно судить, используя различные аналитические и биологические методы (микробиологические, методы фитотестирования). В качестве аналитических методов определения нефтяных углеводородов используются гравиметрические методы после экстракции органическими растворителями образцов почвы, методы инфракрасной и УФ-спектрометрии, люминесцентные, колоночной хроматографии (КХ), высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ), газо-жидкостной хроматографии (ГЖХ), тонкослойной хроматографии (ТСХ), масс-спектрометрии (МС), позволяющие проанализировать скорость разложения отдельных фракций загрязнения (рис. 7.6).

Оценить возраст нефтезагрязнения и сделать предварительный вывод о глубине разложения нефти можно на основании хроматограммы алифатической составляющей нефти, в частности по изменению соотношения н-алканов и изопреноидов. Среди изопреноидов наиболее биостойки пристан и фитан, поэтому изменение соотношения их и наиболее легко биодеградируемых н-алканов C12–C18 является величиной, характеризующей степень биодеградации нефти, чем она выше, тем больше времени прошло с момента загрязнения. Для оценки возраста загрязнения легким углеводородным топливом (бензином, дизельным топливом) предложено использовать отношение (B + T)/(E + X), где B, T, E, X – доли бензола, толуола, этилбензола и ксилола соответственно в общей массе BTEX-соединений, растворенных в грунтовых водах. Для загрязнений с небольшим сроком давности (до 5 лет) это соотношение варьирует от 1,5 до 6,0 в зависимости от количества бензина, контактирующего с грунтовыми водами,

иуменьшается со временем до величины ниже 0,5 (возраст загрязнения более 10 лет).

Для оценки численности углеводородокисляющих микроорганизмов, доли их в общей массе гетеротрофных микроорганизмов используется метод предельных десятикратных разведений с последующим высевом на элективные среды. При определении нефти в водных средах чувствительность микробиологического метода составляет 0,01–0,1 мг нефти/л и превышает чувствительность большинства методов индикации нефтяного загрязнения. Однако с использованием микробиологического метода часто получают заниженные результаты анализа на содержание нефти. Поэтому рекомендуется определять общую численность микроорганизмов, а затем проверять способность каждой выросшей колонии окислять углеводороды.

Для определения фитотоксичности очищаемых почвогрунтов используется метод фитотестирования, основанный на влиянии анализируемого субстрата на прорастание семян. Семена тест-культур (кресс-салата, редиса, овса, пшеницы

идр.) высевают в увлажненную почву, помещенную в чашки Петри, и оценива-

Рис. 7.6. Схема исследования нефтяных углеводородов при контроле процессов биоремедиации

ют их всхожесть и активность прорастания, изменение длины корневой системы или отношения корень/стебель (в сравнении с контролем на чистой почве) через 10–14 сут после высева семян.

При оптимальных условиях протекания процессов ремедиации показатели фитотоксичности уменьшаются практически до фонового уровня через 2 мес, в то время как методом ВЭЖХ в этих пробах определяется еще достаточно высокое содержание нефти. Использование метода тестирования фитотоксичности почв непосредственно в поле часто приводит к заниженным результатам, особенно в сухую погоду. В почве образуются плотные агрегаты, содержащие остаточные количества нефти. Диффундирующие из таких агрегатов загрязнения практически полностью окисляются микроорганизмами на поверхности агрегатов, и поэтому корни растений не контактируют с загрязнениями.