книги / Техника и технологии локализации и ликвидации аварийных разливов нефти и нефтепродуктов

Расход, способ применения

40-60 % (по пло­ щади кассеты) от площади загрязне­ ния. Авиация и плавсредства

500 г препарата на 1м2 почвы

1г на 1кг почвогрунта

50 мл на 1м2 водной поверхности

Фасовка, хранение

Кассеты диамет­ ром 0,5 м из бязи на жестком кру­ говом каркасе с микроорганиз­ мами на носи­ теле и подпиткой

Порошок

»

Взвесь микро­ гранул в воде в герметично закрывающихся

полиэтиленовых емкостях. Хране­ ние в проветри­ ваемых поме­ щениях

Область

применения

Водоемы, мор­ ские акватории

Грунты

Почвы и промышленно-

загрязненные

почвогрунты

Водоемы

воды поверхность на нефтепродуктов и нефти разливов аварийных ликвидации Методы

4.2.2. Приготовление рабочей суспензии биопрепарата

Часто препараты поставляются в виде порош­ ков, в которых микроорганизмы находятся в состоя­

практических целей используют более простой способ. Отмеренное количество порошка биопре­ парата разводят в воде в соотношении 1 10, к полученной массе добавляют минеральные удобрения в количестве 0,1 % от рассчитанного для утилизации УВ. Затем проводят интенсивное перемешивание или барботирование суспензии при 25 °С в течение 4-6 ч. Активированный таким образом биопрепарат помещают в емкость, содер­ жащую раствор минеральных удобрений, и со­ держимое многократно перемешивают по схеме емкость—шланг—емкость. Полученную суспен­ зию используют для обработки загрязненных объ­ ектов. При подготовке рабочих смесей биопрепа­ ратов персонал пользуется защитными очками, респираторами (типа «лепесток», ватно-марлевой повязкой), резиновыми перчатками. Промывочные воды после использования рабочего раствора сли­ вают на загрязненную почву или воду.

Для внесения рабочего раствора на загрязнен­ ную поверхность используют различные техноло­ гические машины, имеющие емкость от 3-4 м3 и выше, и насос (брандспойт) для подачи рабочего раствора на поверхность. Для небольших площадей загрязнения можно применять поливочные машины, для крупных — агрегаты типа АЦ-4, пожарный поезд, авиацию.

4.2.3. Влияние условий окружающей среды на эффективность биологического метода

Температура. Температура окружающей при­ родной среды оказывает влияние как на свойства разлитой нефти, так и на активность микробной популяции. Другими словами, температура влияет на биоразрушение УВ путем воздействия на фи­ зическую природу и химический состав нефти, сте­ пень метаболизма УВ микроорганизмами и состав микробного сообщества. Повышение (пониже­ ние) испарения и растворяемости некоторых УВ при повышении (понижении) температуры оказы­ вает влияние на токсичность и делает возможным биотрансформацию больших (меньших) концентраций

субстрата. Некоторые УВ лучше растворяются при более низких температурах (например, коротко­ цепочечные алканы), а некоторые ароматические УВ низкой молекулярной массы — при более высоких температурах. Хотя биоразрушение УВ может происходить при широком диапазоне тем­ ператур, степень биоразрушения в основном по­ нижается с понижением температуры; это, воз­ можно, является результатом первоначального снижения скорости ферментной активности. Более высокие температуры (от 30 до 40 °С) повышают степень метаболизма УВ до максимума, выше ко­ торого повышается мембранная токсичность УВ. Наивысшая степень разрушения в почвенных сре­ дах в основном происходит в диапазоне темпера­ тур от 30 до 40 °С, в некоторых пресноводных средах — от 20 до 30 °С, в морских природных средах — от 15 до 20 °С.

Температура влияет также на такие факторы, как, например, компонентный состав микробной популяции. В природных средах, где психрофильные (предпочитающие расти при низких темпера­ турах) популяции акклиматизировались, разруше­ ние может происходить в значительной степени при холодных условиях. Углеводородное биораз­ рушение наблюдалось при низких температурах: при 0-2 °С в морских водах и 1 °С в почве. Суще­ ствуют данные о большем разрушении сырой нефти с танкера «Metula» при 3 °С, чем при 22 °С со смешанной культурой на образцах участков песча­ ного пляжа. Обнаружено, что бактерии, способные к разрушению при 4 °С, будут метаболизировать нефть и при 30 °С, но популяции, которые разви­ ваются при 30 °С, имеют ограниченную актив­ ность при 4 °С. Термофильные бактерии, утилизи­ рующие алканы, также существуют. В зависимости от климата и сезона будут, вероятно, изменяться популяции углеводородразрушающих микроорга­ низмов, которые адаптированы к температурам внешней среды.

Аэрация. Аэробные условия в основном необ­ ходимы для экстенсивного (длительного) разру­ шения нефтяных УВ в окружающей среде. Перво­ начальный шаг в катаболизме алифатических, циклических и УВ углеводородов для бактерий и грибов касается окисления субстрата клеточными ферментами оксигеназами, для которых необходим молекулярный кислород.

Факторами, влияющими на наличие кислорода, являются волновая активность и водные течения, физическое состояние нефти и количество доступ­ ного субстрата. Исследования показали, что кислородное истощение приводит к резкому снижению активности биоразрушения в морских отложениях и в почвах. Условия кислородного ограничения не характерны для верхних слоев водной толщи в море и пресноводных акваториях, а также для поверхностных слоев большинства пляжных экосистем. Кислородное истощение может стать ограничивающим фактором разрушения нефтяного загрязнения: в подповерхностных отло­ жениях; бескислородных зонах водной толщи; на большинстве мелкозернистых морских побере­ жий; в пресноводных болотах; на берегах моря, заливаемых при приливе и обнажаемых при отливе; в засоленных маршах (болотах). Водные седименты (осадок) имеют в основном бескислородный режим, за исключением тонкого слоя на поверхности отложений. При высоких концентрациях нефти (при которых она проникает в глубь бескислород­ ного слоя отложений) кислородное истощение ограничивает биоразрушение. При таких условиях может быть обосновано применение методов введения кислорода как части стратегии биовос­ становления.

Наличие кислорода в почвах зависит от степени микробного потребления кислорода и типа почв.

Анаэробное разрушение нефтяных УВ микро­ организмами происходит в незначительной степе­ ни. Тем не менее недавние исследования показали, что анаэробный метаболизм УВ может быть важ­ ным процессом при некоторых условиях. Биораз­ рушение некоторых ароматических УВ, таких как бензол, толуол, этилбензол, ксилол (диметилбензол), может происходить при различных анаэроб­ ных условиях. Исследования также продемонсгрировали, что в некоторых морских отложениях полиароматические УВ и алканы могут быть разрушены при сульфат-восстанавливающих ус­ ловиях в такой же степени, как и при аэробных условиях. Анаэробное биоразрушение нефти в окру­ жающей среде до сих пор нуждается в дополни­ тельных исследованиях.

Питательные вещества. Выпуск УВ в вод­ ные экосистемы, которые содержат низкие кон­ центрации неорганических питательных веществ, часто создает чрезмерно высокие соотношения

углерод/азот и/или углерод/фосфор, которые не­ благоприятны для микробного роста. Наличие азо­ та и фосфора лимитирует микробное разрушение в устьевых водах и отложениях, морских водах и отложениях, пресноводных озерах, арктических прудах, подземных водах, отложениях в пресных водоемах. Природные циркуляционные процессы азота и фосфора показаны на рис. 4.53.

Теоретически приблизительно 150 мг азота и 30 мг фосфора перерабатываются при преобра­ зовании 1 г УВ в клеточный материал. Когда ос­ новной разлив нефти происходит в морской и пресноводной экосистемах, снабжение углеро­ дом значительно возрастает и наличие азота и фосфора становится лимитирующим фактором для разрушения нефти. В морских экосистемах лимитирование питательных веществ в общем связано с низким фоновым уровнем азота и фос­ фора в морских водах. Концентрация питатель­ ных веществ более непостоянна в пресноводных системах, куда относят озера и затопленные зем­ ли (болота) от олиготрофных до эвтрофных; реки могут быть бедны питательными веществами как ресурсом, но в основном становятся богаты­ ми питательными веществами вниз по течению после поступления производственных и бытовых сточных вод и сельскохозяйственных стоков. Пресноводные болота обычно рассматриваются как ограниченные по питательным веществам экосистемы из-за того, что велика потребность в

также проявляться сезонные колебания уровня питательных веществ, которые будут оказывать влияние на характеристику нефтяного разруше­ ния. Обнаружено, что в нефтезагрязненном озере нефтяное биоразрушение происходило в наи­ высшей степени ранней весной, когда содержа­ ние питательных веществ (т. е. N и Р) было также высоким. Уровень как N, так и Р понижается летом (из-за продуктивности водорослей), и нефтя­ ное биоразрушение также уменьшается. Другое гюгенциально-лимитирующее питательное веще­ ство — железо, которое может лимитировать нефтяное разрушение при очистке прибрежных морских вод; для пресных вод это лимитирование не характерно.

Соленость, Рн , давление. Водородный пока­ затель. pH морской воды в основном стабильный

и слабощелочной. Для сравнения диапазон pH пресноводных и почвенных природных экосистем может быть очень широким. Органические почвы в болотах часто кислые, в то время как минераль­ ные почвы имеют более нейтральные и щелочные условия. Большинство гетеротрофных бактерий и грибов предпочитают нейтральный pH, для гри­ бов более приемлемы кислые условия. Исследова­ ния показали, что разрушение нефти повышается с повышением pH, и достижение оптимума разру­ шения происходит при слабощелочных условиях. Биоразрушение ароматических УВ чувствительно к pH и, возможно, также к побочным продуктам биоразрушения насыщенной фракции, что объяс­

Приток

Нерастворенные

органические

углеводороды

1

Минерали­

зация

Разложение''

няет устойчивость ароматических У В в природной среде.

Нитраты не оказывали воздействия на pH, тогда как аммоний приводил к прогрессирую­ щему закисанию, сопровождаемому подавлением разрушения ароматических УВ, особенно полицик­ лических. Эти компоненты были разрушены или со-метаболизированы в отсутствие питательных веществ при почти неизменившемся pH. Наилуч­ шее полное биоразрушение наблюдалось в при­ сутствии нитрата без аммония и при наличии высокого фосфатного буфера. Низкое pH в отло­ жениях соляных маршей (заливах) может понизить нефтяное разложение.

Солнечный свет

Приток

Дыхание

Гибель

Соленость. Изменения солености могут влиять на нефтяное биоразрушение через изменения микробной популяции. Существенные изменения солености могут происходить в экосистемах эстуариев, где морские организмы смешиваются с пресноводными формами. Многие пресноводные

жаться могут немногие. Для большинства морских видов оптимум солености находится в диапазоне 2,5-3,5 %о; они растут плохо или не растут при солености менее 1,5-2 %о. В результате исследова­ ний гиперсоленого солевого испаряющегося пруда выявлено, что скорость метаболизма УВ пони­ жается с повышением солености в диапазоне 3,3- 28.4 %о. Для понимания влияния солености на биоразрушение нефти необходимы дополнитель­ ные исследования.

Обнаружена в общем положительная корреля­ ция между соленостью и степенью минерализации фенантрена и нафталина в отложениях эстуария. Степень метаболизма УВ здесь также понижается с повышением солености в диапазоне от 3,3 до 28.4 °/оо, что объясняется общим снижением степе­ ни микробного метаболизма. Обратная взаимо­ связь существует между соленостью и раствори­ мостью полиароматических УВ. Повышение сорб­ ции ароматических УВ (т. е. понижение раствори­ мости в воде) с повышением солености, как исследовано с пиреном в различных типах отло­ жений, — это результат эффекта высаливания, происходящего как в растворенной, так и в твердой (отложения органического вещества) фазе.

Давление. Давление как непостоянный фактор, влияющий на биоразрушение УВ, имеет особое значение для глубоких морских экосистем. Мик­ робные популяции разрушают нефть в пределах досягаемости в глубокоокеанических экосисте­ мах очень медленно и, следовательно, опреде­ ленные устойчивые фракции нефти могут оста­ ваться гам в течение многих лет или десятилетий. Изучение влияния давления ограничено условиями исследований. Обнаружено, что разрушение тетра­ декана, гексадекана и смеси углеводородных ве­ ществ смешанной культурой глубоководных морских бактерий из отложений наблюдалось при давлении, равном 1атм (101 кПа) и 495500 атм (50,14-50,65 МПа). При 4 °С 94 % гекса­ декана было переработано в условиях повышенного

давления только через 40 недель инкубации, в то время как при давлении, равном 1 атм, — через 8 недель.

4.2.4. Этапы биоремедиации (биовосстановления)

Несмотря на то что бактериопланктон способен разрушить и вывести из морской экосистемы нефтяное загрязнение, для запуска процесса само­ восстановления водной акватории требуется некоторое время.

Бностимуляцня. Биовосстановление может включать в себя биостимуляцию, т. е. активиза­ цию аборигенных микроорганизмов за счет до­ бавления питательных веществ, или воздействие на загрязненные среды путем использования таких технологий, как аэрация, температурный

неорганических питательных веществ, таких как азот и фосфор. Следовательно, степень биораз­ рушения ограниченна. Корректировка количества питательных веществ значительно увеличивает степень биоразрушения как в море, так и в бере­ говых экосистемах.

Азот и фосфор являются наиболее важными питательными компонентами после углерода, который лимитирует рост живущих организмов и степень биоразрушения. Работоспособность и сти­ мулирующий эффект внесенных питательных веществ являются связующим для их химического форми­ рования и способности оставаться на очищаемом участке. Неорганические соли (NaN03 и KN 03)

солей аммония (т. е. NH4N 03 или NH4C1) или кар­ бамида (мочевины) CO(NH2)2. Некоторые органи­ ческие удобрения содержат рыбную муку, которая также использовалась на экспериментальных участках с ограниченным успехом.

Биоагумекггация (внесение микроорганизмов). Биоагументация — это внесение в природные экосистемы, загрязненные нефтью и нефтепродук­ тами, микроорганизмов, разрушающих нефтяное

загрязнение. Метод апробирован как в акваториях, так и в наземных экосистемах.

Установлено, что независимо от температуры инокуляция имела сильный положительный эффект на степень биоразрушения. Обычно загрязненные экосистемы питают достаточное количество углеводородразрушающих микроорганизмов, что спо­ собствует более эффективному метаболизму (усвоению) ими загрязнителя по сравнению с его усвоением любыми внесенными микроорганизмами. Аборигенные биоразрушители со временем будут вытеснять внесенные (инокулированные).

Внесение удобрений NPK имело эффект, по сте­ пени разрушения УВ микроорганизмами сопоста­

щие микроорганизмы. Это было показано для хро­

ляться с помощью специальных носителей или сорбентов. При этом микроорганизмы наносятся и/или иммобилизируются на различных мате­ риалах. В табл. 4.53 представлены природные и искусственные материалы, которые могут быть носителями микроорганизмов, а также сорбентами для нефти и нефтепродуктов.

Таблица 4.53

Слабая плавучая способ­ ность

Торфяной кокс — твер­ дый продукттермического разложения торфа. Явля­ ется сырьем для произ­ водства активных углей

Обладает высокой реакционной способностью и большой сорби­ рующей возможностью

4.2.5. Очистка и/или доочистка разных природных экосистем, загрязненных нефтью или нефтепродуктами, и утилизация отходов после очистки

А кватория

Общие сведения. Оздоровление акватории, пострадавшей от нефтяного загрязнения, предпо­ лагает не только очистку воды, но и восстановле­ ние естественных биологических сообществ, харак­ терных для данного местообитания. В закрытых водоемах периоды восстановления, как правило, более длительные, т. к. нефть удерживается в них дольше, однако такая зависимость не всегда бывает прямой за счет влияния типа нефти и других параметров. Тип нефти определяет степень ее токсичности. Самый сильный токсический ущерб причиняют разливы легкой нефти; токсичность нефти снижается по мере ее испарения. Разливы тяжелой нефти могут стать причиной гибели организмов в основном от недостатка кислорода (физическое воздействие), а не в результате сильных токсиче­ ских воздействий. Температура, растворенный кислород и биогенные элементы, из которых азот, фосфор и калий (NPK) требуются в значительных концентрациях, определяют скорость развития углеводородокисляющих микроорганизмов и окис­ ления ими нефти. В укрытых районах (мелко­ водных заливах, бухтах, внутренних водоемах, речных системах, болотах, мангровых зарослях) нефть может накапливаться в более высоких кон­ центрациях, чем в открытом море.

Водные системы отличаются от почвенных пре­ жде всего тем, что в воде наблюдаются низкие кон­ центрации органических и неорганических веществ и низкая плотность микробного населения, а также тем, что имеют иные, чем у почвенных систем, постоянные физические и химические свойства.

Соленость водоемов влияет на степень биоде­ струкции опосредованно через изменение состава микробных ассоциаций. Скорость деструкции с увеличением солености, как правило, снижается. Низкий pH в соляных заливах также отрицательно сказывается на биодеструкции нефти. С повыше­ нием солености понижается и растворимость УВ и, следовательно, их доступность для микроорга­ низмов.

Технология очистки. Углеводородное пятно для предотвращения его распространения ограж­ дают оперативными плавающими средствами (боновыми устройствами). После ограждения вод­ ной поверхности избыточное количество УВ соби­ рают с помощью механических нефтесборщиков или различных адсорбентов в специально подго­ товленные емкости для дальнейшего разделения смеси и последующей переработки. По мере сбора УВ с поверхности производится сокращение пора­ женной поверхности стягиванием БЗ. При темпе­ ратуре воды 20-25 °С и выше для очистки воды используется распыление над пораженной поверх­ ностью порошкообразных биопрепаратов или же обработка пятна суспензией биопрепаратов, при­ готовленной в растворе минеральных удобрений. Обработка рабочими суспензиями небольших водных поверхностей в прибрежных зонах произ­ водится с берегов водоемов с помощью пожарных брандспойтов, а при значительных поверхностных загрязнениях — с борта специальных катеров или с помощью сельскохозяйственной авиации. Аэра­ ция загрязненного слоя производится за счет вол­ новой энергии.

Простое распыление биопрепарата над нефтяным пятном не всегда эффективно, особенно в штор­ мовых условиях, когда препарат погружается в нижележащие слои, не производя никакого дей­ ствия на загрязнение. В связи с этим перспективно применение биопрепаратов, обладающих плавуче­ стью за счет иммобилизации микроорганизмов на

вать диспергенты и эмульгаторы. Химические эмульгаторы с помощью пневматических агрегатов распыляют над водной поверхностью. Поскольку многие химически синтезированные эмульгаторы не подвержены процессам естественного разложе­ ния в природных средах, необходимо принять меры к ограничению применения таких эмульга­ торов во избежание дополнительного загрязнения окружающей среды. Предпочтительнее использо­ вать природные соединения, которые разлагаются микроорганизмами одновременно с биодеструкцией УВ. Следует отметить, что наилучшими природ­ ными диспергентами являются клетки активных углеводородокисляющих бактерий Rhodococcus,

Arlhrobacter и Acinetobacler, а эмульгаторами — внеклеточные поверхностно-активные вещества (ПАВ) Pseudomonas и Acinetobactev.

Море

В открытом море большие пространства спо­ собствуют естественному разложению нефти, что значительно снижает токсическое воздействие нефтяного загрязнения на экосистему. Высокая температура, ветер и волнение повышают скорость испарения, что ведет к снижению токсичности нефтяного загрязнения. Температура влияет на вязкость нефти и, следовательно, на возможность ее перехода в дисперсное состояние и в осадочные отложения. Физическое удаление нефти с поверх­ ности воды уменьшает общий ущерб, снижая угрозу для птиц, млекопитающих и береговой линии.

Содержание углеводородокисляющих микро­ организмов в морской воде колеблется от 10 до 104 клеток/мл в зависимости от климатической зоны. Биодеструкция осуществляется в основном бактериями. Дрожжи и микромицеты представлены незначительно, так что для биоочистки более эффективны бактериальные препараты.

Степень загрязненности водных объектов опре­ деляется толщиной нефтяной пленки:

•от 0,5 до 10 мкм — низкая;

•от 10 до 100 мкм — средняя;

•свыше 100 мкм — высокая.

Береговая полоса акваторий и бухт

На побережье процесс трансформации нефти может принимать различные формы. Это зависит от нескольких переменных факторов, особенно от степени подверженности берега воздействиям вол­ новой энергии и от типа подстилающей породы. На узких полосках берега, прилегающих к берего­ вому обрыву, очистка не требуется, т. к. откаты­ вающиеся волны удерживают нефть вдали от берега. На песчаных берегах с мелкозернистым песком нефть даже не проникает в осадочные отложения, что облегчает ее механическое удале­ ние. Напротив, на берегах с крупнозернистым песком происходит быстрое проникновение нефти. Песчано-гравийные и гравийные берега быстро поглощают нефть. Нефть и пена смешиваются с песком, гравием и камнями в «пенобетон», за­ твердевающий в виде асфальтового слоя. Помешать этому процессу можно, только удаляя разлитую

нефть механическим способом. На защищенных от ветра скалистых берегах нефть остается годами, и при высоких концентрациях нефти рекоменду­ ется их очистка. На открытой плотной приливноотливной полосе нефть не остается и не проникает вглубь, поэтому очистка не требуется. Защищен­ ная от волнения приливно-отливная полоса — зона высокой биологической активности и низкой вол­ новой энергии. Защиту этих зон, где нефть может оставаться годами, следует проводить в первую очередь, используя боновые заграждения и сор­ бенты нефти, особенно при высоких концентрациях разлитой нефти.

Удаление остаточной нефти, например пятен, выветрившейся корки или нефти, абсорбирован­ ной в осадочных слоях берега, является спорным вопросом. С биологической точки зрения мало смысла нарушать среду побережья ради того, чтобы удалить эти остатки, если уже идет процесс биоло­ гического восстановления. Удаление абсорбиро­ ванной нефти может быть оправданно, если она препятствует биологическому восстановлению.

Реки и замкнутые водоемы

Единственный метод биоочистки рек, особенно с быстрым течением, — это внесение биопрепарата на поверхность нефтяного пятна после сбора избы­ точной нефти. Для очистки рек можно применять не только бактериальные биопрепараты, но и дрож­ жевые, т. к. в пресных водоемах углеводородокисляющие дрожжи представлены более обильно,

Болото и мангровые заросли

Общие сведения. Илистые поймы, болота, тро­ пические мангровые заросли дают пищу и укры­ тие рыбам и водоплавающим птицам, ракообраз­ ным и моллюскам. На данные экосистемы прихо­ дится две трети используемых рыбных ресурсов. Термин «мангровые» относится к нескольким видам деревьев и кустарников, общим свойством которых является формирование особых воздуш­ ных, «дышащих» корней, очень чувствительных к нефти. Для этих экосистем характерна высокая биопродуктивность. Они являются ловушками для нефти. Адсорбции нефти способствуют ходы червей, убежища моллюсков и ракообразных,