Защита водных объектов от загрязнения углеводородами поверхностного стока с объектов железнодорожного транспорта

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

Защита водных объектов от загрязнения углеводородами поверхностного стока с объектов железнодорожного транспорта

Специальность 25.00.36 - Геоэкология

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Липкинд Татьяна Александровна

Екатеринбург 2006

Работа выполнена в Уральском государственном университете путей сообщения (УрГУПС).

Научный руководитель: доктор технических наук В.В. Бондаренко

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор А.Н. Попов

кандидат технических наук, доцент Б.С. Браяловский

Ведущая организация: Федеральная государственное унитарное предприятие «Уральский научно-исследовательский институт коммунального хозяйства»

Защита состоится 12 июля 2006 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 216.013.01 в Федеральном государственном унитарном предприятии «Российский научно - исследовательский институт комплексного использования и охраны водных ресурсов» (ФГУП РосНИИВХ) по адресу: 620049, Екатеринбург, ул. Мира, 23.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГУП РосНИИВХ.

Автореферат разослан «__» июня 2006 г.

Отзыв на автореферат, заверенный гербовой печатью, просим направлять по адресу: 620049, Екатеринбург, ул. Мира, 23.

Факс: (343) 374-26-79, 374-27-15

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор Ю.С. Рыбаков

углеводород деструкция микрофлора водный

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В связи с несовершенством методов и сооружений очистки поверхностного стока от углеводородов, возникает необходимость в разработке технологии защиты водных объектов от загрязнения указанными веществами.

Железнодорожный транспорт вносит существенный вклад в загрязнение водных объектов смесью углеводородов (нефтепродукты, бенз(а)пирен). Причина загрязнения поверхностных вод нефтепродуктами, поступающими с объектов железнодорожного транспорта, в большинстве случаев заключается в нарушении правил обращения с ними, в отсутствии мер и специальных средств по предотвращению их случайных и неслучайных утечек и разливов. Кроме того, выбросы загрязняющих веществ от подвижных источников составляют в среднем 1,65 млн. тонн в год. Основное загрязнение происходит в районах, где в качестве локомотивов используют тепловозы с дизельными силовыми установками, в отработавших газах которых содержится такой высокоопасный полиароматический углеводород как бенз(а)пирен.

Использование технологии, основанной на интенсификации процессов их биохимического окисления, позволит выполнять водоохранные функции, за счет перехвата массы загрязнений перед поступлением их в водный объект. Таким требованиям соответствуют системы, включающие несколько видов биологической загрузки, состоящей из гетеротрофной микрофлоры, окисляющей нефтепродукты и талломных водорослей, окисляющих бенз(а)пирен.

Знание характера динамики процессов снижения содержания нефтепродуктов и бенз(а)пирена в системах биохимического окисления и эффективное их использование позволит снизить массу загрязнения в поверхностном стоке до уровня, допускающего его сброс в водный объект.

Объект исследований - Системы защиты поверхностного, смешанного стока и почвогрунтов на основе использования биологической загрузки.

Предмет исследований - динамика процессов трансформации углеводородов (нефтепродуктов и бенз(а)пирена) под действием гетеротрофной микрофлоры и талломных водорослей.

Целью диссертации является: разработка технологии деструкции углеводородов на основе использования загрузки из гетеротрофной микрофлоры и талломных водорослей.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- изучить динамику процессов трансформации углеводородов в почвогрунтах под воздействием биоценозов почвогрунтов;

- изучить динамику процессов трансформации углеводородов в поверхностном и смешанном стоке под воздействием биоценозов различных биологических загрузок;

- изучить гидрохимические, гидробиологические, гидравлические характеристики систем, используемых для максимального снижения концентрации углеводородов и разработать алгоритмы технологий организации и использования систем деструкции углеводородов.

Научная новизна исследований:

- впервые получены количественные зависимости формирования гетеротрофной микрофлоры на различных субстратах в почвогрунтах;

- впервые получены зависимости динамики процессов трансформации углеводородов в почвогрунтах и водных системах с различными видами загрузки.

Методы исследования. В работе применен комплекс методов исследования, включающий: лабораторное и натурное моделирование, системный комплексный подход к анализу полученных автором и имеющихся в литературе материалов, химический и микробиологический анализ воды, почвогрунтов, растительного материала. Для количественного описания экспериментальных данных использованы стандартные методы и пакет прикладных программ для ПЭВМ (Microsoft Excel, Mathcad PLUS 6.0).

На защиту выносятся:

- критерии выбора биологических загрузок для систем биоокисления углеводородов почвогрунтов и поверхностного стока;

- параметры процессов трансформации углеводородов в почвогрунтах и водных системах;

-технология организации и использования системы защиты почвогрунтов, поверхностного и смешанного стока от углеводородов.

Практическая значимость работы:

разработана технологическая схема организации и алгоритм использования системы охраны водных объектов от загрязнения углеводородами, поступающими с поверхностным, диффузным и смешанным стоком.

в результате анализа практического использования системы защиты водного объекта от загрязнения нефтепродуктами смешанного стока, обоснована эффективность дополнения ее сооружением с биологической загрузкой.

Реализация результатов работы.

- разработанная на основе результатов исследований технология организации и использования системы охраны водных объектов от загрязнения углеводородами рассредоточенного и смешанного стока внедрена в форме использования результатов исследования при разработке плана водоохранных и восстановительных мероприятий по охране и реабилитации Верх-Исетского водохранилища г. Екатеринбурга.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на Всероссийской научно - технической конференции (Екатеринбург, 2003), V научно-технической конференции «Молодые ученые - транспорту» (Екатеринбург, 2004), III Международной научно - практической конференции «Медицинская экология» (Пенза, 2004), VII Международном симпозиуме «Чистая вода России 2005», (Екатеринбург, 2005), II Всероссийской научно - практической конференции «Провинциальный город» (Пенза, 2005), VI Межвузовской научно - технической конференции «Молодые ученые - транспорту» (Екатеринбург, 2005), отчет о научно-исследовательской работе по теме: «Технология защиты водных объектов и почвогрунтов от загрязнения углеводородами предприятий железнодорожного транспорта», рег. № 0120.0501172, 2006г.

Публикации: по теме диссертации опубликовано 11 работ, в том числе 7 статей, 3 тезисов докладов на конференциях, 1 отчет о НИР.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, перечня цитируемой литературы, включающего 118 источников. Диссертация изложена на 123 страницах, включает 23 таблицы и 18 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении раскрывается актуальность проблемы, сформированы цель и задачи исследования, показаны научная новизна и практическая значимость работы.

Глава 1 «Состояние проблемы охраны водных объектов от загрязнения углеводородами, поступающими с поверхностным стоком». В главе представлен анализ имеющихся литературных данных по вопросам причин загрязнения водных объектов углеводородами, поступающими с поверхностным стоком, путей их перераспределения в водных системах, почвогрунтах, существующие методы защиты и возможные пути биохимического окисления нефтепродуктов и бенз(а)пирена. На основании анализа литературных данных можно сформулировать следующие положения:

1. Попадая в водные объекты, углеводороды оказывают отрицательное воздействие на его биоту, включаются в биологический круговорот, замыкающийся, в конечном счете на человеке. Различные агрегатные состояния углеводородов поверхностного стока и их способность к адсорбции, может быть использована для решения вопросов очистки стока.

2. Деструкция нефтепродуктов и бенз(а)пирена - процессы биохимические, сопровождающиеся окислением нефтепродуктов бактериальной гетеротрофной микрофлорой, а бенз(а)пирена - микофлорой почвогрунтов и полифенолоксидазой талломных водорослей в водных системах. Однако, воздействия указанных агентов биохимического окисления на интенсивность процессов деструкции углеводородов до конца не выявлены.

3. Вопросы использования гетеротрофной микрофлоры и талломных водорослей для формирования биоценоза, выполняющего процессы деструкции углеводородов, требуют дополнительных исследований по формированию загрузки систем биохимического окисления углеводородов.

4. Недостаточно изученными остаются вопросы динамики процессов миграции углеводородов из загрязненных почвогрунтов с диффузным стоком в водные объекты.

Глава 2. «Методика исследований». Представлена методика исследования динамики процессов трансформации углеводородов (нефтепродуктов и бенз(а)пирена) в почвогрунтах и поверхностном стоке в условиях лабораторного моделирования и на натурном объекте. Описаны методы химических анализов почвогрунтов и водных образцов на содержание бенз(а)пирена, нефтепродуктов, биогенных элементов, биохимического анализа почвогрунтов и талломных водорослей по определению активности полифенолоксидазы, микробиологического анализа почвогрунтов на качественный и количественный состав микробиоценозов.

Глава 3. «Исследование процессов трансформации углеводородов в почвогрунтах». Представлены результаты исследований загрязненности почвогрунтов объектов железнодорожного транспорта углеводородами.

Установлено, что содержание нефтепродуктов в почвогрунтах колеблется от 165,8 мг/кг (в близи маневрового пути) до 0,37 мг/кг (в ста метрах от пути), а содержание бенз(а)пирена от 1,0 мг/кг до 0,1 мг/кг соответственно. Превышение ПДК по бенз(а)пирену составляет от 5 до 50 раз. При формировании диффузного стока слабо и сильнозагрязненных почвогрунтов, концентрация бенз(а)пирена в стоке изначально не содержащим данный ингредиент, превышает ПДК от 13 до 32 раз соответственно. Максимальное превышение ПДК углеводородов в поверхностном стоке исследуемых объектов по нефтепродуктам составляет 2 500 раз, по бенз(а)пирену 20 000 раз.

Представлены результаты исследований видового состава и численности гетеротрофной микрофлоры, участвующей в процессах деструкции углеводородов. Установлено, что в почвогрунтах территорий объектов железнодорожного транспорта отсутствует разнообразие видового состава микрофлоры, а численность ее незначительна.

Исследования по увеличению разнообразия видового состава гетеротрофной микрофлоры и ее численности показали, что внесение в почвогрунты более легкоокисляемого углеродсодержащего вещества, чем имеющиеся в нем углеводороды, позволяет изменить микрофлору качественно и количественно (табл. 1).

Таблица 1

Видовой и численный состав микрофлоры почвогрунтов, включающих углеродсодержащие вещества

числитель - микрофлора слабозагрязненных почвогрунтов

знаменатель - микрофлора сильнозагрязненных почвогрунтов

Установлено, что при внесении углеродсодержащего вещества, как в слабозагрязненные так и сильнозагрязненные почвогрунты присутствует весь видовой состав исследуемой микрофлоры. Бактериальная микрофлора р. Pseudomonas по численности в варианте с опилом на 34 % выше, чем в варианте с дробиной, что благоприятно для окисления нефтепродуктов.

В результате исследований динамики процессов трансформации углеводородов в слабо - и сильнозагрязненных почвогрунтах исходных и при внесении в них углеродсодержащих веществ, установлено, что в контрольных вариантах за трехмесячный период экспозиции снижение концентрации нефтепродуктов и бенз(а)пирена не превышает 13 %, а в вариантах с внесением опила, достигает - 80 %; в вариантах с дробиной порядка - 70 %. Представлены уравнения снижения концентрации углеводородов в слабо - и сильнозагрязненных почвогрунтах. Анализ констант скорости снижения содержания углеводородов в почвогрунтах свидетельствует о том, что при прочих равных условиях наибольшая скорость снижения нефтепродуктов и бенз(а)пирена наблюдается в условиях включения в почвогрунт углеродсодержащего вещества - опила.

В целях интенсификации процессов деструкции бенз(а)пирена в почвогрунтах, при участии полифенолоксидазы злаковых растений, выполнены исследования по влиянию газонной травы на динамику процессов трансформации бенз(а)пирена. Для этого были экспериментально определены пределы токсичности бенз(а)пирена по отношению к рассматриваемой газонной травосмеси, которая составляет 0,2 мг/кг почвогрунта.

Установлено, что совместное воздействие полифенолоксидазы микрофлоры углеродсодержащего субстрата и растений позволяет более активно вести процесс трансформации бенз(а)пирена. Коэффициент поглощения повышается с 0,54 (в варианте с субстратом - опил) до 0,77 (в варианте с дополнительным использованием травосмеси) (рис. 1).

Рисунок 1. Динамика концентрации бенз(а)пирена на оптимизированном субстрате

Таким образом, сформировавшийся биоценоз почвогрунтов, включающих углеродсодержащие вещества, позволит снизить концентрацию углеводородов в почвогрунтах, диффузном и поверхностном стоке. Оптимизирование субстрата, позволяет повысить в нем активность фермента полифенолоксидазы, окисляющий бенз(а)пирен, практически в три раза.

Глава 4. «Исследование процессов трансформации углеводородов в водных системах».

Представлены результаты исследований по определению параметров биологической загрузки из талломных водорослей для систем трансформации углеводородов, включающие динамику формирования их биомассы и активности фермента полифенолоксидазы. Установлено, что максимальную биомассу и максимальную суммарную активность полифенолоксидазы формируют талломные водоросли р.Cladophora в июле месяце (табл. 2). Биомасса талломов и активность фермента полифенолоксидазы, водорослей р.Spirogyra, составляют 1 % - 2 % от биомассы и активности водоросли р.Сladophora В период формирования поверхностного (талого) стока (апрель месяц) биомасса талломных водорослей составляет практически 64 % от максимальной, а суммарная активность полифенолоксидазы 42,63 % соответственно.

Таблица 2

Динамика формирования биомассы талломов в вегетационный период

Таким образом, на основании данных исследований в качестве биологической загрузки в системе биоокисления бенз(а)пирена целесообразнее использовать талломные водоросли р.Cladophora.

В результате исследований динамики процессов снижения концентрации бенз(а)пирена в исходном талом стоке, под воздействием загрузки из талломных водорослей р.Cladophora, установлено, что коэффициент трансформации бенз(а)пирена низкий и относительное снижение его в стоке, за 10-дневный период, незначительное, а динамика снижения концентрации бенз(а)пирена в стоке во времени описывается уравнением:

Сф = С₀ • е^-0,0284ф (1)

где Сф- концентрация к периоду времени ф, мг/дм³,

ф - время, сутки.

С₀ - исходная концентрация, мг/дм³.

Очевидно, что перед подачей стока в систему с биологической загрузкой, из стока необходимо предварительно изъять основную массу углеводородов системой нефтеловушки. Затем усреднить сток в пруду-накопителе, где может быть размещена загрузка из инертного материала (пленки полиэтиленовой), которая является субстратом для формирования бактериальной гетеротрофной микрофлоры.

Установлено, что концентрация нефтепродуктов в пруду-накопителе-усреднителе с загрузкой из инертного материала (пленки полиэтиленовой), снижается достаточно эффективно до 92 % за 10-дневный период.

Рисунок 2. Динамика концентрации нефтепродуктов в биопруду-накопителе-усреднителе с загрузкой из пленки полиэтиленовой

Концентрация бенз(а)пирена в пруду-накопителе-усреднителе за тот же период снижается менее эффективно (29 %) (рис. 3).

Рисунок 3. Динамика концентрации бенз(а)пирена в биопруду-накопителе-усреднителе с загрузкой из пленки полиэтиленовой

В сооружении с загрузкой из талломных водорослей, расположенного после пруда-накопителя эффективность снижения концентрации бенз(а)пирена достигает более 99 % (рис. 4). Однако, на выходе из сооружений концентрация бенз(а)пирена в 2 раза превышает ПДК, в отличии от нефтепродуктов, концентрация которых в сооружении из талломных водорослей на восьмые сутки достигает норматива ПДК.

Рисунок 4. Динамика концентрации бенз(а)пирена в сооружении с загрузкой из талломных водорослей

Таким образом, в результате исследований динамики процессов трансформации углеводородов под воздействием биологических загрузок в почвогрунтах и поверхностном стоке, разработаны алгоритмы снижения концентрации нефтепродуктов и бенз(а)пирена в почвогрунтах и поверхностном стоке предприятий железнодорожного транспорта.

Глава 5. «Технология защиты водных объектов от загрязнения поверхностным стоком предприятий железнодорожного транспорта».

На основании результатов исследования, разработана технология включающая основные этапы защиты водных объектов от загрязнения углеводородами поверхностного стока с объектов железнодорожного транспорта. Представлен алгоритм действий по снижению содержания углеводородов в загрязненных почвогрунтах (рис. 5).

Рисунок 5. Алгоритм действий по снижению содержания углеводородов в загрязненных почвогрунтах

Рассматриваемая технология способствует не только очистке почвогрунтов от углеводородов, но и значительно снижает их содержание в поверхностном и диффузном стоке.

Согласно представленной технологической схеме защиты водных объектов от загрязнения углеводородами, сток проходит через нефтеловушку, затем поступает в пруд - накопитель - усреднитель с размещенным в нем инертным субстратом для формирования бактериальной гетеротрофной микрофлоры, выполняющей окисление нефтепродуктов. Затем, через распределительную гребенку, сток из пруда - накопителя равномерно подается в сооружение с загрузкой из талломных водорослей, выполняющих окисление бенз(а)пирена, откуда дочищенный сток сбрасывается в водный объект.

В ходе работы автором произведена оценка экономической эффективности применения технологической схемы, представленной на рисунке 6. Показатели эколого-экономической эффективности применения предлагаемой технологической схемы снижения содержания углеводородов в поверхностном стоке представлены в таблице 3.

Таблица 3

Эколого - экономические показатели

Расчет предотвращенного ущерба:

Проведена эколого-экономическая оценка величины предотвращенного ущерба водным ресурсам.

У_пр = У_удг Ч МЧ К_э = 7331,9 Ч 325,4 =4055860,4 руб. (2)

Где: У_пр - величина предотвращенного ущерба водным ресурсам, руб.

М- приведенная масса сброса, усл. т;

У_удг - базовый показатель удельного ущерба для водного бассейна р. Камы Свердловской области на единицу приведенной массы загрязнений (7331,9 руб./усл. т);

К_э - коэффициент экологической ситуации и экологической значимости водных ресурсов для Свердловской области (1,7).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе на базе выполненных автором исследований решена научная проблема, имеющая большое значение, заключающееся в улучшении качества воды поверхностных водоисточников на основе технологии использования систем, выполняющих биоокисление углеводородов в поверхностном, смешанном стоке и загрязненных почвогрунтах. Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. Получены количественные зависимости формирования численности гетеротрофной микрофлоры почвогрунтов на различных субстратах углеродсодержащего вещества;

2. Получены зависимости, характеризующие динамику процессов трансформации нефтепродуктов и бенз(а)пирена в почвогрунтах от степени загрязненности почвогрунтов и численности гетеротрофной микрофлоры в них;

3. Получены зависимости динамики процессов формирования биомассы загрузки и ферментативной активности талломных водорослей от периода вегетации;

4. В результате изучения динамики процессов трансформации нефтепродуктов и бенз(а)пирена подобраны оптимальные варианты субстратов для формирования гетеротрофной микрофлоры в сооружениях биоокисления нефтепродуктов и загрузки в сооружениях деструкции бенз(а)пирена;

5. Разработана технологическая схема организации и алгоритм использования систем для охраны водных объектов от загрязнения углеводородами, поступающими с поверхностным, диффузным и смешанным стоком;

6. Впервые выполнен анализ эколого-экономической эффективности совместной доочистки нефтепродуктов и бенз(а)пиена в поверхностном стоке. Показана возможность предотвращения значительного эколого - экономического ущерба, составляющего более 4 млн рублей в год.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Бондаренко В.В., Буланов В.Г, Липкинд Т.А. Источники загрязнения окружающей среды бенз(а)пиреном на железнодорожном транспорте // Сб. «Экология и безопасность жизнедеятельности».-- Екатеринбург: УрГУПС, 2003. - С. 80 - 82.

2. Бондаренко В.В. Липкинд Т.А. Загрязнения окружающей среды бенз(а)пиреном на железнодорожном транспорте // Проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта. Материалы всероссийской научно-технической конференции. - Екатеринбург: УрГУПС, 2003. - С. 156 -159.

3. Бондаренко В.В, Липкинд Т.А. Пути решения предотвращения загрязнения водных объектов и почвогрунтов бенз(а)пиреном на железнодорожном транспорте // Труды V межвузовской научно-технической конференции: «Молодые ученые - транспорту». - Екатеринбург: УрГУПС, 2004. - С. 285 -290.

4. Бондаренко В.В, Липкинд Т.А. Биоинженерная защита почвогрунтов и стока с территорий предприятий железнодорожного транспорта от загрязнений бенз(а)пиреном // Труды III Международной научно-практической конференции: «Медицинская экология». - Пенза, 2004. - С. 11 - 12.

5. Липкинд Т.А, Бондаренко В.В. Защита водных объектов от загрязнения бенз(а)пиреном, поступающим, с территорий предприятий железнодорожного транспорта // Сб. материалов Всероссийской научно-практической конференции: «Экология человека». - Пенза, 2004. - С. 29 - 30.

6. Бондаренко В.В, Липкинд Т.А. Охрана водных объектов от загрязнения бенз(а)пиреном, поступающим с неорганизованным стоком предприятий железнодорожного транспорта// Труды VIII Международного симпозиума: «Чистая вода России 2005».- Екатеринбург, 2005. С. 159 - 160.

7. Липкинд Т.А. Бондаренко В.В. Защита окружающей среды от воздействия бенз(а)пирена // Сб. материалов Всероссийской научно-технической конференции с международным участием: «Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте». - Красноярск, 2005. - С. 19 -21.

8. Бондаренко В.В, Липкинд Т.А. Оптимизация процессов трансформации полиароматических углеводородов в почвогрунтах // Сб. материалов II Всероссийской научно-практической конференции: «Провинциальный город - экономика, экология». - Пенза, 2005. - С. 50 - 53.

9. Липкинд Т.А. Технология защиты водного объекта и почвогрунтов от загрязнения углеводородами, поступающими поверхностным стоком объектов железнодорожного транспорта // Труды VI межвузовской научно-технической конференции: «Молодые ученые - транспорту». - Екатеринбург, 2005. - С. 442 - 449.

10. Липкинд Т.А. Защита водных объектов от загрязнения углеводородами поверхностного стока предприятий железнодорожного транспорта // Водное хозяйство России. - № 3, Екатеринбург, 2006. - С. 87 -94.

11. Бондаренко В.В, Липкинд Т.А. Отчет о научно-исследовательской работе по теме: «Технология защиты водных объектов и почвогрунтов от загрязнения углеводородами предприятий железнодорожного транспорта», рег. № 0120.0501172, 2006г. - 110 с.

Размещено на Allbest.ru