Экологические особенности биологической очистки почвогрунтов от застарелой загрязненности нефтепродуктами

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВНИИГиМ

РГАТУ (Рязань)

АО «РНПК»

ВНИИ «Агроэкоинформ»

Экологические особенности биологической очистки почвогрунтов от застарелой загрязненности нефтепродуктами

Ильинский А.В., Виноградов Д.В., Абрамов В.В., Вегерин А.В., Гогмачадзе Г.Д.

Аннотация

микроорганизм загрязненность биопрепарат почвогрунт

Авторами рассмотрено изменение качественного состава застарелой углеводородной загрязненности почвогрунтов промышленного предприятия при их очистке биопрепаратом на основе штаммов аэробных углеводородокисляющих микроорганизмов (УОМ) рода Pseudomonas. Дана оценка эффективности применения биопрепарата серии «Нафтокс» на деструкцию нефтяных углеводородов, сформулированы основные концептуальные моменты для разработки комплексной технологии очистки загрязнённых почвогрунтов с учётом экологических требований и региональных особенностей. Экспериментально установлено, что максимальная степень очистки по содержанию нефтепродуктов составила свыше 80%, по содержанию хлороформного битумоида - свыше 53%.

Ключевые слова: биологическая очистка, биопрепарат, грунт, загрязнённость, нефтепродукты, нефтеэкологическая оценка, нефтяные углеводороды, охрана природы, почва, реабилитация, углеводородокисляющие микроорганизмы, экология, эффективность

Введение

При производстве природовосстановительных работ промышленных предприятий Рязанской области до недавнего времени предпочтение отдавалось варианту утилизации, связанному с размещением загрязненного почвогрунта на санкционированном полигоне промышленных отходов. Данный вариант является для нашего региона самым распространенным. Полигон промышленных отходов МУП «Эколозащита» является санкционированным полигоном, на котором размещался загрязненный грунт, образовывавшийся при реализации природовосстановительных проектов крупных промышленных предприятий региона. Данный полигон промышленных отходов является единственным подобным крупным объектом для приема и размещения промышленных отходов в регионе. При этом удовлетворить в значительной мере возросшие потребности промышленных предприятий в утилизации загрязненного грунта существующие в настоящее время мощности полигона по размещению промышленных отходов не позволяют. В настоящее время проводится активный поиск альтернативных способов и технологий утилизации или обезвреживания загрязненных нефтяными углеводородами почв и грунтов 1-6. Для нефтегазодобывающих, нефтеперерабатывающих и транспортирующих нефть и нефтепродукты предприятий актуальной остается проблема защиты природных экосистем, включая почвы и почвогрунты, от загрязнения нефтяными углеводородами 7, 8.

В настоящее время альтернативой широко применяемым технологиям обезвреживания загрязненных нефтяными углеводородами почв и грунтов, основанным на термическом методе утилизации либо размещении загрязненного почвогрунта на санкционированных полигонах промышленных отходов, может служить их биологическая очистка с помощью комплексного использования природных мелиорантов и биопрепаратов на основе углеводородокисляющих микроорганизмов (УОМ). Решение задачи при этом достигается за счет стимуляции аборигенных почвенных микроорганизмов внесением повышенных доз различных удобрений либо за счет использования различных биологических препаратов, содержащих микроорганизмы, способные произвести деструкцию поллютанта 9-12. Область применения биологического метода очистки определяется следующими факторами: содержанием и химическим составом нефтяных углеводородов, глубиной их проникновения в почвогрунт, активностью аэробных углеводородокисляющих микроорганизмов, а также кислотностью, влажностью, температурой, физико-химическими свойствами очищаемого почвогрунта, включая степень аэрации, обеспеченностью элементами минерального питания 13, 14. Основными биодеструкторами нефтяных углеводородов являются аэробные хемогетеротрофные бактерии родов: Pseudomonas, Acinetobacter Arthrobacter, Micrococcus, Nocardia, Bacillus, Corynebacterium, и др., а также микроскопические грибы родов: Trichoderma, Cladosporium, Penicillium, Fusarium, Aureobasidium. В процессах деструкции нефти и нефтепродуктов особенно активны бактерии рода Pseudomonas, поскольку они одинаково легко окисляют альдегиды (формальдегид, ацетальдегид), спирты (метанол, глицерин), моноциклические ароматические углеводороды (бензол, толуол, ксилол) и другие более сложные соединения. К настоящему времени разработано большое количество отечественных и зарубежных биопрепаратов на основе углеводородокисляющих микроорганизмов 4, 5, 15. Как свидетельствует практика, применение заполнивших российский рынок зарубежных биопрепаратов, разработанных для районов, по климатическим и экологическим условиям резко отличающихся от регионов России, оказывается малоэффективным. Среди отечественных биопрепаратов наибольшую известность получили: «Белвитамил», «Нафтокс», «Биоприн», «Деворойл», «Ленойл», «Путидойл», «Белвитамил», «Нафтокс», «Биоприн». При правильно подобранной микробной монокультуре или ассоциации монокультур и благоприятных условиях окружающей среды возможно за сравнительно короткое время утилизировать углеводороды, трансформируя их в органическое вещество собственной биомассы, углекислый газ и безвредные для природы продукты метаболизма 11-13.

Обоснование разработки экологически безопасных, современных и высокоэффективных технологий биологической очистки от застарелых загрязнений нефтяными углеводородами почв и грунтов крупных промышленных предприятий в условиях «ex situ», адаптированных к региональным условиям, а также изучение изменения качественного состава застарелой углеводородной загрязненности почвогрунтов промышленного предприятия при биологической очистке представляется весьма актуальным.

Основная часть

Цель исследований заключалась в изучении биологической очистки от застарелых нефтяных загрязнений почвогрунтов промышленного предприятия с помощью штаммов аэробных УОМ рода Pseudomonas. При постановке модельного лабораторного эксперимента были использованы образцы биопрепарата, произведённые на основе запатентованных ФГУП «ВНИГРИ» штаммов УОМ под торговой маркой «Нафтокс», и образцы почвогрунта, отобранные на территории промышленного предприятия на участках, где ранее располагались технологические установки по производству машинных масел. Разрабатываемый тип технологии биоремедиации «ex situ» заключается в следующем: процесс обезвреживания проводится вне места загрязнения путём внедрения в загрязнённый субстрат аэробных углеводородокисляющих микроорганизмов (интродукция активных штаммов).

Экспериментальные исследования по изучению возможности использования биопрепарата серии «Нафтокс» для очистки нефтезагрязненного почвогрунта были проведены на базе ФГУП «ВНИГРИ» совместно с Мещерским филиалом ФГБНУ «ВНИИГиМ им. А.Н. Костякова» и АО «РНПК». Перед постановкой опытов были получены и рассчитаны следующие параметры: рН; влажность образцов, %; полная влагоемкость, %; определение титра (кл/г) УОМ в приготовленном биопрепарате НАФТОКС 12-Р; рабочий титр биопрепаратов (кл/г) для опытов; объем биопрепарата (мл) с рассчитанным рабочим титром; объем минеральной среды (мл), необходимый для увлажнения навески опытного образца почвогрунта и обеспечения жизнеспособности УОМ, внесенных в опыт в составе биопрепарата.

Приготовление биопрепаратов и постановка эксперимента выполнялись согласно разработанной ФГУП «ВНИГРИ» методике. На основании результатов ранее проведенных ФГУП «ВНИГРИ» лабораторных опытов по моделированию процессов очистки биопрепаратами серии «Нафтокс» нефтезагрязненных почв рассчитывалась доза внесения микробного препарата. В эксперименте поддерживались мезофильные условия, способствующие наилучшей работе аэробных нефтеокисляющих микроорганизмов рода Pseudomonas. Для ускорения процессов деградации углеводородов в эксперименте поддерживалась наиболее благоприятная температура (диапазон температур эффективной работы биопрепаратов серии «Нафтокс», как и любых других биопрепаратов, лежит в интервале 15-30 С). В целом следует отметить, что температурный режим проведения очистных работ для климатических условий средней полосы России вполне благоприятен и многократно проверен на практике. В эксперименте поддерживались: влажность почвы - 60% ПВ; кислотность почвы, близкая к нейтральной, осуществлялось периодическое рыхление почвы в сосудах. Мониторинг динамики процесса биологической очистки загрязненных почвогрунтов включает следующие показатели: содержание нефтепродуктов, хлороформного битумоида, титр УОМ (Кл/г) и рН почвы.

Основные характеристики эксперимента по изучению процессов биологической очистки загрязненных застарелыми нефтяными загрязнениями почвогрунтов представлены в таблице 1.

Результаты комплексных аналитических испытаний тестируемых образцов почвогрунта на содержание нефтепродуктов и хлороформного битумоида представлены в таблицах 2 и 3.

Таблица 1. Основные характеристики эксперимента по биодеструкции застарелого нефтяного загрязнения почвогрунтов (продолжительность лабораторных опытов - 5 месяцев)

Таблица 2. Химико-битуминологическая характеристика образцов почвогрунта

Примечание: ХБА - хлороформный битумоид; НП - фракция «нефтепродукты».

Таблица 3. Изменение состава хлороформного битумоида в пробах почвогрунта при их биологической очистке

Примечание: б - выход битуминоида, % на почву; ХБА - хлороформный битумиоид, УВ - углеводороды; нас.УВ - насыщенные углеводороды; аром.УВ - ароматические углеводороды; см.бенз. - смолы бензольные; см. сп/бенз. - смолы спиртобензольные; метано-наф. - метано-нафтеновые углеводороды; моноаром. - моноароматические углеводороды; биаром. - биароматические углеводороды; полиаром. - полиароматические углеводороды.

Проведенный химический анализ показал, что содержание нефтепродуктов в пробах почвогрунта колеблется от 0,257 до 3,9 г/кг, содержание хлороформного экстракта (ХБА, %) - в пределах от 0,26 до 8,3 г/кг. Максимальное содержание ХБА в пробе № 1 - 8,3 г/кг, минимальное в пробе № 3 - 0,26 г/кг. При этом фракция «нефтепродукты» в составе ХБА варьировала в интервале 34-100 % . В трех пробах почвогрунта (№1, №2, №4) фракция «нефтепродукты» варьировала в интервале 34-47,0 % от содержания ХБА. В пробе №3 фракция «нефтепродукты» в составила 100% от ХБА .

Детальный комплексный химический анализ ХБА показал, что представленные образцы почвогрунта значительно различаются как по групповому, так и по углеводородному составу хлороформных экстрактов. Начальное содержание масел в групповом составе ХБА обследованных образцов почвогрунта варьирует от 39,6 до 82,8 %, что устанавливает относительное различие в содержании кислых компонентов (смолы, асфальтены) в диапазоне от 17,17 до 60,70 %. Доля метано-нафтеновых углеводородов в составе масел варьирует от 53,7 до 78,5 %, а доля моно- и биароматических углеводородов варьирует от 21,5 до 46,3 %. Соотношение насыщенных углеводородов к ароматическим варьирует в диапазоне от 1,16 до 3,66. Исследования показали, что образцы почвогрунта №2 и №3 характеризуются более низким содержанием масел в составе ХБА и высоким содержанием смол и асфальтенов по сравнению с образцами №1 и №4. Согласно проведенным микробиологическим исследованиям проб почвогрунта, было установлено присутствие углеводород-окисляющих аборигенных почвенных микроорганизмов в концентрации 10⁴ кл/г.

Результаты экспериментальных исследований биологической очистки почвогрунтов биопрепаратом серии НАФТОКС, представленные в таблице 4, показали, что наибольшая деструкция нефтепродуктов (81%) и хлороформного битумиоида (54%) наблюдается в лабораторном опыте с образцом почвогрунта №3. Деструкция поллютантов в образцах почвогрунтов №№ 1, 2 и 4 происходила менее активно, что связано с более высоким содержанием в групповом составе ХБА масел и более высокой степенью их загрязнённости углеводородами нефти.

В групповом составе нефтяного загрязнения проб почвогрунта после применения биопрепарата, представленном в таблице 3, четко прослеживается тенденция снижения относительного содержания масел и заметное относительное накопление остальных фракций ХБА, что, в основном, связано с биологической очисткой загрязнений штаммами аэробных УОМ рода Pseudomonas.

Таблица 4. Оценка эффективности биологической очистки от застарелых нефтяных загрязнений почвогрунтов биопрепаратом НАФТОКС 12-Р

Результаты и выводы

Анализ результатов комплексных агрохимических исследований позволил заключить, что, с точки зрения экологии, почвогрунт с территории рассмотренных участков подлежит очистке от застарелой загрязненности нефтяными углеводородами. Качественный состав ХБА характеризуется высоким содержанием смол и практическим отсутствием н-алканов с низким молекулярным весом, что свидетельствует о прошедших процессах биоокисления первоначального нефтяного загрязнения углеводородокисляющими микроорганизмами-аборигенами, титр которых, согласно литературным данным, должен был быть не ниже n·10⁶ кл/г. В исходных пробах почвогрунта титр УОМ равен n·10⁴ кл/г, что не обеспечивает на сегодняшний день активное снижение оставшейся в почвогрунтах загрязненности нефтяными углеводородами. Экологическая оценка проведенных агрохимических исследований отобранных образцов почвогрунта не выявила загрязненности дополнительными поллютантами, способными оказать негативное воздействие на вносимые штаммы аэробных УОМ. Было установлено, что почвогрунт в достаточной степени обеспечен макро- и микроэлементами, необходимыми для жизнедеятельности аэробных УОМ, и обладает благоприятной кислотностью.

Экспериментальные исследования по биологической очистке загрязненных нефтяными углеводородами почвогрунтов с использованием биопрепарата «НАФТОКС 12-Р» позволили оценить его способность к деструкции поллютантов для различных условий застарелой загрязненности. Максимальная степень деструкции поллютантов зафиксирована в образце №3: по нефтепродуктам - 81%, по ХБА - 54%. Было установлено, что степень утилизации конкретных фракций застарелого нефтяного загрязнения неодинакова и зависит от устойчивости последних к биодеградации. Возросшие значения отношения содержания хлороформенного битумоида к содержанию «нефтепродуктов» в образцах №2 и №3 свидетельствуют о продолжающейся утилизации наименее устойчивых к биохимическому окислению фракций хлороформенного битумоида, что достаточно чётко прослеживается в изменении качественного состава нефтяного загрязнения. Представленные данные о динамике утилизации различных составляющих битумоида показали, насколько сложны процессы биохимической очистки почвогрунтов промышленного предприятия от застарелых нефтяных загрязнений, что во многом определяется особенностями их загрязнённости от различных технологических установок процесса производства машинных масел, ранее располагавшихся на участке природовосстановительных работ.

Конечным результатом выполнения научно-исследовательской работы должна стать разработка комплексной инновационной технологии биологической очистки почвогрунтов от застарелых загрязнений нефтяными углеводородами в условиях «ex situ» на основе комбинированного применения биопрепарата серии «Нафтокс» и природных мелиорантов. Данное направление представляет особый интерес, поскольку, помимо решения экологических задач, связанных с утилизацией подобных отходов, оно позволяет решать и ряд хозяйственных вопросов, связанных с рекультивацией выработанных карьеров, дорожным строительством и т.д., что особенно важно при сбалансированном решении социально-экономических вопросов, сохранении благоприятной окружающей среды и восстановлении природных ресурсов страны.

Список использованных источников

1. Виноградов Д.В., Ильинский А.В., Данчеев Д.В. Экологические аспекты охраны окружающей среды и рационального природопользования: учебное пособие. - Рязань: ФГБОУ ВО РГАТУ. - 2017. - 128 с.

2. Гогмачадзе Г.Д., Саакян А.Е., Макарова И.А. О базе данных экологического состояния сельхозугодий и окружающей среды в агропромышленном комплексе России (АБД «ЭкоАгро») // АгроЭкоИнфо. - 2007, №1. - http://agroecoinfo.narod.ru/journal/STATYI/2007/st_18.doc

3. Ильинский А.В. Виноградов Д.В., Гогмачадзе Г.Д. К вопросу повышения эффективности проведения работ по реабилитации техногенно загрязнённых земель с помощью внедрения современной системы комплексного контроля // АгроЭкоИнфо. - 2016, №3. - http://agroecoinfo.narod.ru/journal/STATYI/2016/3/st_320.doc.

4. Ильинский А.В., Виноградов Д.В., Гогмачадзе Г.Д. Комплексная нефтеэкологическая оценка загрязненных нефтяными углеводородами почв и грунтов как основа для их эффективной биологической очистки / А.В. Ильинский, // АгроЭкоИнфо. - 2017, №1. - http://agroecoinfo.narod.ru/journal/STATYI/2017/1/st_105.doc.

5. Ильинский А.В., Виноградов Д.В., Балабко П.Н. Некоторые аспекты обоснования системы комплексного контроля при проведении мероприятий по реабилитации техногенно загрязнённых земель // Вестник Рязанского государственного агротехнологического университета имени П.А. Костычева. - 2015, № 4 (28). - С. 10-15.

6. Ильинский А.В., Виноградов Д.В., Данчеев Д.В. Экологические основы природопользования: учебное пособие. - Рязань: ФГБОУ ВО РГАТУ. - 2017. - 128 с.

7. Кирейчева Л.В., Ильинский А.В. Результаты биологической очистки загрязнённой нефтепродуктами почвы с помощью комбинированного применения карбонатного сапропеля и углеводородокисляющих микроорганизмов // Мелиорация и водное хозяйство: проблемы и пути решения. Материалы международной научной конференции. Том I. -М.: Изд. ВНИИА. - 2016. - С. 262-266.

8. Нейтрализация загрязненных почв: монография / под ред. Ю.А. Мажайского. - Рязань: Мещерский филиал ГНУ ВНИИГиМ Россельхозакадемии. - 2008. - 528 с.

9. Виноградов Д.В., Гусев В.И., Кузнецов Н.П., Степура Е.Е., Синиговец М.Е. Деградационные процессы почв и земельных угодий Рязанской области // АгроЭкоИнфо. - 2013, № 2. - http://agroecoinfo.narod.ru/journal/STATYI/2013/2/st_15.doc.

10. Гогмачадзе Г.Д. Агроэкологический мониторинг почв и земельных ресурсов Российской Федерации. Учебное пособие. - Москва. - 2010. - 592 с.

11. Ильинский А.В., Кирейчева Л.В., Виноградов Д.В. Биоремедиация загрязнённых нефтепродуктами почв при помощи карбонатного сапропеля и биопрепарата «Нафтокс» // Вестник Рязанского государственного агротехнологического университета им. П.А. Костычева. - 2016, № 2 (30). - С. 28-35.

12. Щур А.В., Виноградов Д.В., Валько В.П., Валько О.В., Фадькин Г.Н., Гогмачадзе Г.Д. Радиоэкологическая эффективность биологически активных препаратов в условиях Беларуси // АгроЭкоИнфо. 2015, №5. - http://agroecoinfo.narod.ru/journal/STATYI/2015/5/st_20.doc.

13. Водянова М.А., Хабарова Е.И., Донерьян Л.Г. Анализ существующих микробиологических препаратов, используемых для биодеградации нефти в почве // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2010, № 7. - С. 253-258.

14. Щур А.В., Виноградов Д.В., Гогмачадзе Г.Д. Экологические особенности микробиоты почв в условиях радиоактивного загрязнения территории Республики Беларусь при применении биологически активных препаратов // АгроЭкоИнфо. - 2016, № 1 (23). - http://agroecoinfo.narod.ru/journal/STATYI/2016/1/st_51.doc.

15. Практика рекультивации загрязненных земель / Под ред. Ю.А. Мажайского. - Рязань: ФГБОУ ВПО РГАТУ. - 2012. - 604 с.

Цитирование

Ильинский А.В., Виноградов Д.В., Абрамов В.В., Вегерин А.В., Гогмачадзе Г.Д. Экологические особенности биологической очистки почвогрунтов от застарелой загрязненности нефтепродуктами // АгроЭкоИнфо. - 2018, №1. - http://agroecoinfo.narod.ru/journal/STATYI/2018/1/st_124.doc.

Размещено на Allbest.ru