Очистка загрязненных сред от нефти и нефтепродуктов

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943Тема 15

Очистка загрязненных сред от нефти и нефтепродуктов

План лекции

Состав нефти и нефтепродуктов.

Основные особенности воздействия нефти и нефтепродуктов на

природные среды.

Особенности и условия трансформации нефти и нефтепродуктов в

водных и почвенных средах.

Факторы, влияющие на скорость биодеградации компонентов нефти.

Способы очистки водных и почвенных сред от загрязнения нефтью и

нефтепродуктами.

Биопрепараты для ликвидации загрязнения нефтью и нефтепродуктами.

Основные технологические этапы получения и использования биопрепаратов – деструкторов нефти и нефтепродуктов.

РХТУ АЕК

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Вопросы в экзаменационных билетах

1.Ремедиация и очистка природных сред, загрязненных нефтью и нефтепродуктами. Основные подходы к их обезвреживанию различными методами.

2.Биопрепараты для очистки природных сред, загрязненных нефтью и нефтепродуктами. Основные этапы получения и использования биопрепаратов – деструкторов нефти и нефтепродуктов.

Кн. 2, т.2, с. 88-139

РХТУ АЕК

vk.com/club152685050Состав нефти| vk.com/id446425943и нефтепродуктов.

В нефти выделяют легкую фракцию (точка кипения 200 °С), метановые углеводороды, включая твердые парафины, циклические углеводороды, смолы и асфальтены, сернистые соединения.

Большую часть легкой фракции составляют алканы с числом углеродных атомов 5–11. Эти соединения летучи и более растворимы в воде по сравнению с другими компонентами нефти.

В сырой нефти присутствуют также ароматические соединения и соединения, содержащие как ароматические так и циклоалифатические кольца. Эти соединения представляют собой наиболее токсичную часть нефтей.

Смолы и асфальтены (чаще употребляемое название «смолы асфальтенов») относятся к высокомолекулярным соединениям, в которых неодинаковые по структуре углеводородные группы связаны между собой различными сшивками, и обладают очень сложной структурой. Смолистые вещества активно присоединяют кислород. На воздухе смолистая нефть быстро густеет.

Взависимости от времени, прошедшего с момента загрязнения нефтью и нефтепродуктами природных сред, доля асфальтеновой фракции увеличивается в результате окисления алканов микроорганизмами.

Вкачестве примесей в нефти содержатся соединения азота, серы, кислорода (NSO-соединения), вода, соли и микроэлементы, включая тяжелые металлы

(Pb, Hg, Cd, V, Ni, Fe).

РХТУ АЕК

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Основные особенности воздействия нефти и нефтепродуктов на природные среды

Нефтяные и углеводородные загрязнения:

-техногенные источники – около (2–3) • 107 т/год,

-прижизненные выделения растительными и животными организмами, а также их посмертного разложения – около 6 • 105 т/год,

-поступление со дна океана из естественных источников.

Масштабы загрязнения почвы в результате деятельности нефтедобывающих и транспортных предприятий на территории России сотни тысяч гектаров. Потери нефти – 1-6 млн. т.

Воздействие нефти и нефтепродуктов на экосистемы определяется совокупностью содержащихся в них компонентов.

Нефть и нефтепродукты не относятся к наиболее опасным для человека токсичным загрязнениям, однако ущерб обусловлен большой массой загрязнений.

В отличие от других антропогенных воздействий загрязнение нефтью не постепенно повышающееся, а часто залповое, что приводит к значительному экологическому ущербу.

РХТУ АЕК

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Воздействие на почву.

В первую очередь страдают почвенные биоценозы. Особенно вредное воздействие оказывают смолисто-асфальтеновые компоненты. Они сорбируются в гумусовом слое, иногда прочно цементируя его. Уже 2 г нефти в 1 кг почвы делает ее непригодной для жизнедеятельности растений и почвенной микрофлоры.

Влияние нефти на растения обусловлено непосредственным токсическим воздействием ее и изменением почвенной среды. Нефть, пропитывая почву, ухудшает доступ кислорода и влаги растениям. Этому способствует также обволакивание смолисто-асфальтеновыми веществами корней растений. К снижению содержания кислорода приводит и рост аэробных углеводородокисляющих микроорганизмов. В результате создаются условия для развития анаэробной микрофлоры. Ухудшаются агрофизические и агрохимические свойства почвы, снижается урожайность сельскохозяйственных растений.

Воздействие на водоемы.

В водоемах нефть и нефтепродукты создают нефтяную пленку, загрязняют их растворенными или эмульгированными в воде углеводородами, осевшими на дно тяжелыми фракциями и т.д. Загрязняются берега рек, озер, морей. Так, только 1 т нефти может покрыть тонким слоем площадь поверхности воды в 1200 га. Нефтяная пленка нарушает газообмен между водной поверхностью и атмосферой, нарушает фотосинтез у фитопланктона. Нефтяная пленка оказывает особенно сильное негативное воздействие на водные организмы.

Меняются органолептические свойства воды.

РХТУ АЕК

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Особенности и условия трансформации нефти и нефтепродуктов в водных и почвенных средах

Впервые недели после загрязнения нефтью происходят в основном физические процессы миграции и рассеивания углеводородов в результате испарения и выщелачивания. С поверхности воды легкокипящие бензиновые фракции испаряются в течение 6 ч. Не менее 10% сырой нефти испаряется в течение 24 ч. Однако тяжелые фракции не испаряются совсем. Потери нефти вследствие испарения нефтяных масел и сырой нефти в южных регионах составляют до 40–70%. В северной климатической зоне испаряется значительно меньше нефти, в почве она может сохраняться десятки лет и преобладает рассеивание ее циркулирующими водами.

Врезультате испарения возрастает доля тяжелых и менее токсичных фракций в неиспарившейся части нефти. Но среди них остаются наболее стойкие к биологическому разложению (смолы и асфальтены).

Пленка углеводородов на водной и почвенной поверхности может подвергаться химическому воздействию вследствие образования свободных радикалов как результат термического или фотохимического возбуждения.

Через 1–4 недели после попадания нефтяных углеводородов в окружающую среду в благоприятных условиях для роста микрофлоры начинается биодеградация загрязнения.

РХТУ АЕК

vk.com/club152685050По степени снижения| vk.com/id446425943окисляемости микроорганизмами компоненты нефти и

нефтепродуктов располагаются в такой последовательности:

алифатические > ароматические > смолы > асфальтены (почти не окисляются)

Наиболее активно утилизируются углеводороды с прямой цепью, н-парафины с длиной цепи С12–С22. Большинство микроорганизмов не ассимилируют н- алканы, содержащие в цепочке менее 9 атомов углерода. Низкомолекулярные н- алканы обычно угнетают развитие микробного сообщества, однако вследствие летучести их действие непродолжительно.

Более устойчивы к окислению изоалканы, циклоалканы и ароматические углеводороды. Многие из них в виде моносубстратов не потребляются микроорганизмами, они разлагаются в режиме соокисления с другими более доступными углеводородами.

Биодеградация тяжелых фракций нефти, содержащих смолы и асфальтены, затруднена устойчивостью к воздействию ферментов и малой способностью их диспергироваться в жидкой среде.

При благоприятных условиях основной процесс биодеструкции может протекать за 3–4 недели, при этом численность углеводородокисляющих микроорганизмов увеличивается в 100–1000 раз, изменяется и численность других гетеротрофных микроорганизмов.

Заключительный и самый длительный этап в разложении нефти связан с трансформацией оставшихся высокомолекулярных соединений и образованием связанных остатков. Эта часть устойчива к биологическому окислению. Чем более застарелое загрязнение, тем выше ее доля (от 1 до 20%). В силу инертности новые высокомолекулярные соединения и связанные остатки мало опасны для окружающей среды.

РХТУ АЕК

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Факторы, влияющие на скорость биодеградации компонентов нефти.

Содержание нефти в почве.

Максимальное содержание нефти в среде, доступное для биоремедиации, не превышает 5–10% (по массе).

Температура.

Для биодеградации углеводородов оптимальная температура 30–40 oC, однако существуют микроорганизмы, способные окислять углеводороды как при более высоких, так и при более низких положительных температурах.

Влага.

Оптимальное содержание влаги в почве для микроорганизмовнефтедеструкторов 50–80%.

Аэрация.

Окисление углеводородов микроорганизмами происходит в аэробных условиях. После первичного окисления углеводородов разложение может продолжаться и в аэробных, и в аноксигенных условиях. Для поддержания аэробных условий при ремедиации почв, загрязненных нефтью, их периодически рыхлят. Денитрификация и сульфатредукция могут играть существенную роль на стадии разложения промежуточных продуктов окисления углеводородов – жирных кислот, фенолов, продуктов их расщепления, и в центральных зонах почвенных агрегатов. Здесь возможны процессы с восстановлением Fe3+ и брожения.

РХТУ АЕК

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Агрегатное состояние.

Для водных сред важна растворимость углеводородов в воде, поскольку растворимые молекулы лучше транспортируются к клеткам микроорганизмов. Растворимость углеводородов низкая и уменьшается с увеличением их молекулярной массы. На скорость окисления влияет также степень дисперсности углеводородов в воде. Транспорт их в клетку происходит непосредственно при контакте эмульгированной углеводородной фазы с поверхностью клеток. Дисперсность можно повысить механическим воздействием или с помощью детергентов. Многие микроорганизмы способны продуцировать ПАВ, эмульгирующие углеводороды и ускоряющие их окисление.

Адсорбция нефти и нефтепродуктов на поверхности почвенных частиц затрудняет биодеструкцию вследствие образования крупных и плотных агломератов.

pH

Для утилизации углеводородов нефти бактериями наиболее благоприятен нейтральный pH (от 6,5 до 8,0). Оптимальное развитие грибов и дрожжей происходит в кислой среде, в широком диапазоне pH развиваются смешанные популяции.

РХТУ АЕК

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Минеральные компоненты.

Минеральных компонентов в нефтяных загрязнениях содержится мало, кроме того, природные среды, особенно в северных регионах, обеднены источниками азота и фосфора. Как правило, при загрязнении нефтью дефицит биогенных элементов является лимитирующим фактором активности микроорганизмовнефтедеструкторов. Для биологической очистки и биоремедиации вносят минеральные компоненты в виде минеральных удобрений (азотных, фосфорных и др.). Оптимальное соотношение С : N составляет 9–200 : 1. Большинство минеральных удобрений хорошо растворяется в воде, что обеспечивает доставку компонентов минерального питания к микроорганизмам.

Для почв с застарелыми нефтяными загрязнениями или при их повторном попадании характерно присутствие микроорганизмов-нефтедеструкторов («диких» или аборигенных). В этом случае для активизации углеводородокисляющей способности аборигенной микрофлоры достаточно провести агротехнические мероприятия (метод биостимулирования). При ликвидации свежих нефтяных проливов в среду необходимо вносить препараты микроорганизмов-деструкторов (метод биоаугментации).

В разложении нефти наряду с микроорганизмами косвенно могут участвовать растения и животные. Разрыхление почвы корнями растений, земляными червями и роющими артроподами облегчает дренаж и проникновение газов. Кроме того, роющие животные могут транспортировать органический материал к биологически активным поверхностным слоям почвы.

РХТУ АЕК