Результат интеллектуальной деятельности: Способ очистки объектов окружающей среды от загрязнений нефтью и нефтепродуктами

Изобретение относится к области охраны окружающей среды, в частности к экобиотехнологии и экологии, а именно к способам очистки загрязненной среды, в частности, воды от загрязнения углеводородами нефти и нефтепродуктов при помощи микроорганизмов.

Известен способ очистки загрязненной среды от загрязнений нефтью и нефтепродуктами, предусматривающий введение в загрязненную среду микроорганизмов в виде суспензии в питательной среде, содержащей источники азота, фосфора, калия и воду; в качестве микроорганизмов используют консорциум бактериальных штаммов Acenitobacter oleovorum ЦМПМ В-1878 и Acenitobacter oleovorum ВКПМ У-4091 в соотношении 10:1-1:10 по титру клеток, RU 2038333, опубл. 27.06.1995.

Для адаптации, практически, всех нефтеокисляющих микроорганизмов после внесения их в очищаемую среду требуется значительное время, как правило, 3-6 месяцев. Это обусловлено резким изменением условий их жизнедеятельности, как биотических, так и абиотических. В изменившихся условиях должны адекватно активироваться ферментные системы микроорганизмов, обеспечивающие клетку питанием и энергией. Процесс адаптации микроорганизмов к новым условиям жизнедеятельности существенно увеличивает общее время, необходимое для эффективной очистки загрязненной среды от нефти и нефтепродуктов.

Эти же недостатки присущи способу очистки загрязненной среды от загрязнений нефтью и нефтепродуктами, предусматривающему внесение в очищаемую среду микроорганизмов Acenitobacter valentis subsp. paraffinium ВКПМ В-6728 и Acenitobacter valentis subsp. paraffinium ВКПМ В-6726, или Acenitobacter valentis subsp. paraffinium ВКПМ B-6727 при температуре среды 10-50°С и рН 5,5-8,5, RU2053204С, опубл. 1995.

Известен также способ очистки загрязненной среды, в частности, почвы от загрязнений нефтью и нефтепродуктами, предусматривающий введение в загрязненную среду водной суспензии биопрепарата, содержащего нефтеокисляющие микроорганизмы, в котором водную суспензию готовят в концентрации 0,5-10,0 г/л с титром 1⋅10⁸-1⋅10¹² кл/мл, после чего активируют нефтеокисляющие микроорганизмы путем барботирования водной суспензии биопрепарата воздухом с расходом 3-5 м³ на 1 м³ суспензии в течение 1,5-2,5 часов, RU2108426С, опубл. 10.04.1998. При барботировании происходит активация ферментных систем микроорганизмов за счет действия кислорода воздуха. Благодаря активации ферментов нефтеокисляющих микроорганизмов на 1-2 месяца сокращается период их адаптации при внесении в очищаемую среду.

Недостатком данного способа является продолжительное время, необходимое для эффективной очистки загрязненной среды от нефти и нефтепродуктов в условиях высокой концентрации углеводородов и при наличии солей тяжелых металлов в широком диапазоне pH и температуры очищаемой среды, вследствие невысокой скорости деструкции полиароматических углеводородов.

Известен способ очистки загрязненной среды, в частности, почвы от загрязнений нефтью и нефтепродуктами, который предусматривает введение в загрязненную среду суспензии биопрепарата, содержащего нефтеокисляющие бактерии. Водную суспензию биопрепарата готовят в концентрации 0,5-10,0 г/л с титром 1⋅10⁸-1⋅10¹² кл/мл, после чего активируют нефтеокисляющие микроорганизмы путем барботирования водной суспензии биопрепарата воздухом с расходом 3-5 м³ на 1 м³ суспензии в течение 1,5-2,5 ч. В качестве биопрепарата используют консорциум нефтеокисляющих микроорганизмов Pseudomonas putida ПИ Ко-1, Pseudomonas fluorescens ПИ-896, Micrococcus sp. ПИ Ку-1, Burkholderia caryophylli Jap-3, Serratia odorifera Jap-1 при весовом соотношении от 3-12 мас.% каждого микроорганизма. Совместно с суспензией биопрепарата в загрязненную среду вводят ризоторфин в количестве 30-120 г/м², RU 2191643С, опубл. 21.10.2002.

Данное техническое решение принято за прототип настоящего изобретения.

Недостатком данного способа является продолжительное время, необходимое для эффективной очистки загрязненной среды от нефти и нефтепродуктов в условиях высокой концентрации углеводородов и при наличии солей тяжелых металлов в широком диапазоне pH и температуры очищаемой среды, вследствие невысокой скорости деструкции полиароматических углеводородов.

В основу настоящего изобретения положено решение задачи создания высокоэффективного способа очистки загрязненной воды от загрязнений нефтью и нефтепродуктами с высокой скоростью деструкции, в том числе, тяжелых фракций нефти, эффективного в широком диапазоне pH и температуры очищаемой среды.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе очистки воды от загрязнений нефтью и нефтепродуктами, предусматривающем введение в загрязненную воду суспензии биопрепарата, содержащего нефтеокисляющие микроорганизмы Pseudomonas putida ПИ Ко-1 и Micrococcus sp. ПИ Ку-1, при этом водную суспензию биопрепарата готовят в концентрации 0,5-10,0 г/л с титром 1⋅10⁸-1⋅10¹² клеток/мл, после чего активируют нефтеокисляющие микроорганизмы путем барботирования водной суспензии биопрепарата воздухом с расходом 3-5 м³ на 1 м³ суспензии в течение 1,5-2,5 ч, согласно изобретению, биопрепарат дополнительно содержит нефтеокисляющий микроорганизм Rhodococcus erythropolis АС-1269, при этом весовое соотношение каждого микроорганизма составляет 3-12 мас.%, причем в суспензию биопрепарата вводят биопрепарат Витаплан в количестве 0,05-1,0 г на 1 л суспензии и перемешивают для получения гомогенной суспензии, при этом в загрязненную воду вводят гомогенную суспензию биопрепарата в количестве 1 г на 1 л загрязненной воды.

Увеличение концентрации клеток (больше 10,0 г/л с титром 1⋅10⁸-1⋅10¹² клеток/мл) не приводит к значительному увеличению скорости деструкции загрязнителя, однако неоправданно увеличивает стоимость работ по очистке, так как увеличение скорости биодеструкции будет незначительным по сравнению с увеличением стоимости препарата. При концентрации клеток микроорганизмов меньше (0,5 г/л с титром 1⋅10⁸-1⋅10¹² клеток/мл) в биопрепарате, технический результат не достигается вследствие снижения требуемой скорости биодеструкции загрязнителя.

Благодаря реализации отличительных признаков изобретения заявленный способ приобретает важное новое свойство, которое состоит в создании высокоэффективного способа очистки воды от загрязнений нефтью и нефтепродуктами при высокой концентрации полиароматических углеводородов и при наличии солей тяжелых металлов с высокой скоростью деструкции, эффективного в широком диапазоне pH и температуры очищаемой среды.

Каждый из микроорганизмов: Pseudomonas putida ПИ Ко-1, Micrococcus sp. ПИ Ку-1 и Rhodococcus erythropolis АС-1269, а также Витаплан, являющийся источником грамположительных спорообразующих факультативно аэробных бактерий, будучи активными деструкторами углеводородных загрязнений в условиях повышенных концентраций солей тяжелых металлов и полиароматических углеводородов, способствуют активации деструктивной активности остальных входящих в состав консорциума микроорганизмов, что обеспечивает существенное повышение биологической активности как природных микроорганизмов-деструкторов, находящихся в загрязненной среде, так и микроорганизмов, входящих в консорциум.

Заявителю не известны какие-либо источники информации, которые содержали бы сведения о техническом решении, адекватном заявленным отличиям и предусматривающем достижение описанных выше новых свойств (технического результата). Указанные обстоятельства позволяют, по мнению заявителя, сделать вывод о соответствии заявленного технического решения условию "изобретательский уровень".

Предложенный способ осуществляют следующим образом. Параметры способа и данные о его эффективности приведены в таблице.

Применяют биопрепарат, содержащий консорциум нефтеокисляющих микроорганизмов Pseudomonas putida ПИ Ко-1, Micrococcus sp. ПИ Ку-1, Rhodococcus erythropolis АС-1269 при весовом соотношении по 3-12 мас.% каждого микроорганизма.

Штаммы Pseudomonas putida ПИ Ко-1, Micrococcus sp. ПИ Ку-1 и Rhodococcus erythropolis АС-1269 депонированы в Государственной коллекции микроорганизмов ФГБНУ Всероссийский научно-исследовательский институт защиты растений.

Наполнителем биопрепарата служит стерильный торф. В качестве минеральной добавки используют диаммофос, 1 мас.%, и карбамид, 0,5 мас.%.

Штамм Pseudomonas putida ПИ Ко-1 - мелкие короткие палочки, размеры (0,2-0,3)⋅(0,5-0,8) мкм; колонии штамма круглые, гладкие, с блестящей поверхностью, слабовыпуклые, полупрозрачные, бесцветные, диаметром 3-5 мм.

Штамм Micrococcus sp.ПИ Ку-1 - кокки, диаметром 0,6-1,0 мкм; колонии штамма круглые, с ровным краем, желтого цвета, непрозрачные, гладкие, блестящие, диаметром 2-5 мм.

Штамм Rhodococcus erythropolis АС-1269 - прямые или изогнутые палочки, распадающиеся на кокковые формы, иногда образующие нити с элементарным ветвлением. Штамм неспорообразующий, грамположительный, неподвижный. На агаризованных средах образует шероховатые светло-бежевые колонии с неровным краем. Аэроб. Оксидазный тест отрицательный. Каталазный тест положительный. Частично кислотоустойчивый. Расщепляет β - аланин, пироглутамат, треонин-7-АМК, глюкозиды. Рост за счет использования как единого источника углерода: мальтоза, андостерон, бензойная кислота, бутан-2,3диол, пимелинововая, цитраконовая и D-миндальная кислоты, углеводороды (декан, гексадекан, дизельное топливо, нефть, нафтеновые и полиароматические углеводороды). Отношение к рН: 5-9. Отношение к NaCl: 3-5%. Отношение к температуре: +4-30°С. Оптимальная температура культивирования: 28°С. Обладает выраженной способностью к образованию биосурфактантов - синтезирует природные биосурфактанты группы гликолипидов (тригазолипиды) в ответ на присутствие н-алканов в среде, способствующие снижению вязкости.

Витаплан - биологический фунгицид, разработанный на основе полезной микрофлоры - бактерии Bacillus subtilis, предназначенный для использования в качестве лечебного и профилактического средства для защиты растений за счет удержания влаги в зоне прорастания семени, создания благоприятного фона микроорганизмов в прикорневой зоне, метоболизма экссудатов, метаболизма остатков фенолформальдегидных смол. Препаративная форма - смачивающийся порошок, производитель - ООО "АгроБиоТехнология", Россия. Действующее вещество - смесь штаммов Вacillus subtilis (титр 10¹⁰ КОЕ/г Вacillus subtilis, штамм ВКМ В-2604D+10¹⁰ КОЕ/г Вacillus subtilis, штамм ВКМ В-2605 D) - грамположительных спорообразующих факультативно аэробных бактерий, https://bioprotection.ru/new/preparations/vitaplan - sp - 100 - g.html.

В емкости из нержавеющей стали вместимостью 2 м³, содержащей воду с минеральными добавками, разводят биопрепарат в концентрации 0,5-10 г/л, при этом получают суспензию с титром 1⋅10⁸-1⋅10¹² клеток/мл. Затем осуществляют барботирование полученной суспензии путем подачи воздуха от компрессора под давлением 2 атм в течение 1,5-2,5 часа. Расход воздуха составляет 3-5 м³ на 1 м³ суспензии биопрепарата. При этом поддерживают температуру суспензии 18-22°С.

После завершения процесса барботирования в емкость вносят биопрепарат Витаплан из расчета 0,05-1,0 г/л суспензии и перемешивают для получения гомогенной суспензии. Полученный таким образом препарат вносят в загрязненную водную среду, содержащую нефтепродукты, включающие значительное количество полиароматических углеводородов и солей тяжелых металлов. Об эффективности способа судят по убыли нефти через 60 дней.

Пример. Параметры способа и данные о его эффективности приведены в таблице.

Эксперименты проводили по следующей методике. Колбы Эрленмейера объемом 750 мл заполняли 100 мл воды с различным pH (в пределах от 4,5 до 8,2) и содержанием нефтепродуктов 12 мг/л, включающим значительное количество полиароматических углеводородов. Сумма полиароматических соединений составляла 17,9 мас.%, в том числе производных пирена с изомерами - 0,6 мас.%. Содержание растворимых солей свинца составляло 340 мкг/кг (ПДК = 6,0 мкг/кг), меди - 240 мкг/кг (ПДК = 3,0 мкг/кг). Количество внесенного препарата - 1 г на 1 л воды. Колбы выдерживали на термостатируемой качалке в диапазоне температуры от 3°C до 40°C в течение 60 суток. Суммарное массовое содержание остаточных нефтепродуктов в колбах определяли на ИК-спектрофотометре АН-2 в соответствии с ПНД Ф 14.1:2:4.168-2000.

Проводили 9 экспериментов с параметрами, указанными в графах 2-5 таблицы, при этом:

- эксперимент 1 соответствует максимальным значениям концентрации биопрепарата и Витаплана,

- эксперименты 2-5 соответствуют промежуточным значениям концентрации биопрепарата и Витаплана,

- эксперимент 6 соответствует минимальным значениям концентрации биопрепарата и Витаплана,

- эксперимент 7 соответствует значениям концентрации биопрепарата и Витаплана, меньше заявленной в формуле изобретения,

- эксперимент 8 соответствует значениям концентрации биопрепарата и Витаплана, превышающей заявленную в формуле изобретения,

- эксперимент 9 соответствует значениям концентрации биопрепарата, не содержащего штамм Rhodococcus erythropolis и биопрепарат Витаплан.

Через 60 дней суммарная концентрация нефтепродуктов при максимальных значениях концентрации биопрепарата и Витаплана уменьшилась на 95-97%, полиароматических углеводородов - на 93-95%, в том числе производных пирена с изомерами - на 0,2-0,3 мас.%. Суммарная концентрация нефтепродуктов при минимальных значениях концентрации биопрепарата и Витаплана уменьшилась на 79-81%, полиароматических углеводородов - на 72-74%, в том числе производных пирена с изомерами - на 0,2-0,3 мас.%. Суммарная концентрация нефтепродуктов при значениях концентрации биопрепарата и Витаплана, меньше заявленной в формуле изобретения, уменьшилась на 62-63%, полиароматических углеводородов - на 46-48%, в том числе производных пирена с изомерами - на 0,1 мас.%, что говорит о недостаточной эффективности способа очистки. Суммарная концентрация нефтепродуктов при значениях концентрации биопрепарата и Витаплана, превышающей заявленную в формуле изобретения, уменьшилась на 97-99%, полиароматических углеводородов - на 90-93%, в том числе производных пирена с изомерами - на 0,6-0,8 мас.%, не привела к значительному увеличению скорости деструкции загрязнителя, однако неоправданно увеличивает стоимость работ по очистке, так как увеличение скорости биодеструкции будет незначительным по сравнению с увеличением стоимости препарата.

Каждый из микроорганизмов: Pseudomonas putida ПИ Ко-1, Micrococcus sp. ПИ Ку-1 и Rhodococcus erythropolis АС-1269, а также Витаплан, являющийся источником грамположительных спорообразующих факультативно аэробных бактерий, будучи активными деструкторами углеводородных загрязнений в условиях повышенных концентраций солей тяжелых металлов и полиароматических углеводородов, способствуют активации деструктивной активности остальных входящих в состав консорциума микроорганизмов, что обеспечивает существенное повышение биологической активности как природных микроорганизмов-деструкторов, находящихся в загрязненной среде, так и микроорганизмов, входящих в консорциум.

Благодаря барботированию водной суспензии биопрепарата воздухом происходит активация ферментных систем микроорганизмов за счет действия кислорода воздуха, осуществляется активация ферментов нефтеокисляющих микроорганизмов и сокращается период их адаптации при внесении в очищаемую среду.

Штамм Rhodococcus erythropolis АС-1269, кроме того, обладает выраженной способностью к образованию биосурфактантов - синтезирует природные биосурфактанты группы гликолипидов в ответ на присутствие н-алканов в среде, способствующие снижению вязкости.

Витаплан за счет удержания влаги создает благоприятный фон для микроорганизмов, для метоболизма экссудатов, метаболизма остатков фенолформальдегидных смол.

Предложенный способ благодаря синергичности свойств всех используемых микроорганизмов позволяет значительно сократить общее время, необходимое для очистки водной среды в широком диапазоне pH и температуры среды (pH 4,5-8,2, T = 3-40°C) от загрязнений нефтью и нефтепродуктами за счет увеличения скорости деструкции полиароматических углеводородов.

Для реализации способа использовано обычное оборудование, известные штаммы микроорганизмов и биопрепарат Витаплан, которые производятся промышленным путем.

Параметры способа и данные о его эффективности по примеру

при норме расхода 1 г/л загрязненной воды

Таблица

* Соотношение штаммов: Pseudomonas putida ПИ Ко-1, Micrococcus sp. ПИ Ку-1, Rhodococcus erythropolis АС-1269, мас.%.