СПОСОБ ОЧИСТКИ И РЕКУЛЬТИВАЦИИ ПОЧВЫ, ЗАГРЯЗНЕННОЙ НЕФТЬЮ И НЕФТЕПРОДУКТАМИ

Изобретение относится к области биотехнологии, а именно к способу очистки почвы от нефти и нефтепродуктов.

В связи с постоянными разливами, происходящими при добыче и транспортировке нефти, актуальность проблемы рекультивации нефтезагрязненных почв все более возрастает, поскольку при разливах нефти практически полностью подавляется жизнедеятельность биоты, происходят необратимые изменения микробиологических свойств почвы и нарушение ее водно-воздушного режима.

В настоящее время для рекультивации нефтезагрязненных почв разработаны и широко используются множество способов, различающиеся по эффективности и трудоемкости.

Задержание распространения нефти и удаление нефтяного разлива может быть эффективно проведено при использовании природных или синтетических сорбентов: торф, сапропель, песок, полимерные материалы (S. Gan, E.V. Lau, H.K. Ng. / Remediation of soils contaminated with polycyclic aromatic hydrocarbons // Journal of Hazardous Materials. v. 172, 2009, p. 532-549).

Известен способ очистки воды и поверхности почвы от нефтепродуктов и тяжелых металлов при использовании сорбента, содержащего обуглероженную льняную костру и сапропель (патент РФ №2198987). Недостатком данного способа является малая эффективность данных сорбентов, поскольку внешняя поверхность частиц сорбента обволакивается пленкой, состоящей из нефти и нефтепродуктов, что приводит к дезактивации сорбента.

Известен способ очистки земель от нефти и нефтепродуктов, согласно которому в качестве сорбента, используемого для удаления из почвы нефтезагрязняющих добавок, используют гранулированный технический углерод (сажу) с удельной поверхностью 50-250 м²/г либо углерод-углеродный композит с удельной поверхностью 100-500 м²/г (патент РФ №2414313).

Известен способ рекультивации почв путем внесения минеральных азотно-фосфорных удобрений и природного высокопористого минерала из группы алюмосиликатов (патент РФ №2245748).

Эффективность работы указанных сорбентов невысока, поскольку степень очистки почвы от нефти составляет не более 65-70%.

Известен способ рекультивации почв, загрязненных нефтью и нефтепродуктами, согласно которому в почву вносят биогумус красного калифорнийского червя и сапропель в соотношении 2:1 в количестве 5000-20000 кг смеси на 1 га (патент Украины №80075). Авторами показано, что смесь биогумуса червя и сапропеля представляет собой особую биологическую систему, в которой проявляется высокая активность микроорганизмов-нефтедеструктуров. Недостатком данного способа является его многостадийность и длительность рекультивации: приготовление биогумуса, смешение с сапропелем, внесение смеси в почву, высадка на загрязненные участки растений-сидератов или бобовых для фиксации в почве атмосферного азота, необходимого для активации в биогумусе микроорганизмов скашивание выросшей зеленой массы и закапывание ее в нефтезагрязненную почву для продолжения рекультивации.

Более перспективным методом рекультивации нефтезагрязненых почв является метод биоремедиации, основанный на введении в почву микроорганизмов, способных утилизировать углеводороды в процессе своей жизнедеятельности (Albert T. Yeung, Ying-Ying Gu / A review on techniques to enhance electrochemical remediation of contaminated soils // Journal of HazardousMaterialsv. 195, 2011, p. 11-29). В процессе биоремедиации углерод из нефти и нефтепродуктов преобразуется в углекислый газ, переходит в биомассу клеток, трансформируется в гумус и закрепляется в почве. Этот метод эффективно работает при содержании нефтепродуктов в почве менее 20 мг/кг (X. Wang, X. Yu, R. Bartha. Effect of bioremediation on polycyclic aromatic hydrocarbon residues in soil // Environ. Sci. Technol. V. 24 (7), 1990, p. 1086-1089; S. Harayama / Polycyclic aromatic hydrocarbon bioremediation design // Curr. Opin. Biotechnol. V. 8, 1997, p. 268-273). При более высокой концентрации углеводородов численность бактерий снижается и биоремедиации почвы не происходит.

Известен способ очистки воды и мерзлотных почв от нефти и нефтепродуктов штаммом бактерий PseudomonaspanipatensisBK-10593, согласно которому при использовании бактериальной суспензии обеспечивается очистка почвы от дизельного топлива на 91,71% (патент РФ №2525932). К недостаткам данного метода можно отнести тот факт, что используемый штамм не изготавливается на промышленном уровне, а может быть получен в небольших количествах в лаборатории Институту проблем нефти и газа СО РАН (г. Якутск).

Известен способ биологической ремедиации нефтезагрязненных почв, заключающийся в обработке почвы биопрепаратом «Биофлора» NB-05, содержащим несколько типов бактерий и микроэлементов (патент РФ 2176164). Биоочистка состоит в следующем: семена бобовых и злаковых культур замачивают в суспензии биопрепарата и в дальнейшем высевают их в нефтезагрязненную почву. В процессе роста растений осуществляют их некорневую подкормку минеральными удобрениями. Содержание гудрона в почве через три месяца снижается на 31,6%. Недостатком способа является невысокая степень очистки почвы.

Как показали исследования последних лет, более высокая эффективность биоремедиации почвы может быть достигнута при введении в загрязненную почву дождевых червей, т.е. при использовании в этом случае метода вермиремедиации. Дождевые черви ускоряют процесс удаления загрязняющих веществ из почвы и изменяют физические и химические свойства почвы, смешивая ее с органическим веществом и улучшая аэрацию почвы, что делает загрязняющие вещества доступными для микроорганизмов. (Jacobo Rodriguez-Camposa, Luc Dendooven, Dioselina Alvarez-Bernalc, Silvia Maribel Contreras-Ramosd / Potential of earthworms to accelerate removal of organic contaminants from soil: A review // Applied Soil Ecology, v. 79, 2014, p. 10-25).

Было показано, что дождевые черви роют норы в почве и смешивают ее в своем кишечнике и этот процесс способствует изменению физических и химических свойств почвы (Eijsackers Н., vanGestel С, DeJonge S., Muijs В., Slijkerman D / Polycyclic aromatic hydrocarbons-polluted dredged peat sediments and earthworms: amutual interference // Ecotoxicologyv. 10, 2001, p. 35-50).

Известно, что дождевые черви способствуют увеличению контактов между загрязняющими веществами и почвенными микроорганизмамии, соответственно, более интенсивному удалению загрязняющих веществ (Hickman Z.A., Reid B.J. /Increased microbial catabolic activity in diesel contaminated soil following gaddition of earth worms (Dendrobaenaveneta) and compost // SoilBiol. Biochem. V. 40, 2008, p. 2970-2976; Alekseeva Т., Besse P., Binet F., Delort A.M., Forano C., Josselin N., Sancelme M., Tixier C. / Effect of earthworm activity (Aporrectodeagiardi) on atrazineadsorption and biodegradation // Eur. J. Soil Biol., v. 57, 2006, p. 295-307).

Была обнаружена устойчивость дождевых червей Eisenia fetida (E. Fetida) к загрязнению почвы нефтью в количестве 50-80 г/кг. После 90 дней эксперимента было зафиксировано снижение токсичности почвы, а через 240 дней наблюдения в почвах со средними и тяжелыми углеводородами токсичность была снижена до пограничных значений (Dorn, Р.В., Salanitro, J.P. Temporal ecological assessment of oil contaminated soils before and after bioremediation. - Chemosphere, v. 40, 4, 2000, p. 419-426).

Известны работы, в которых биоремедиацию нефтезагрязненной почвы проводят в присутствии дождевых червей и микробной биомассы. Например, установлено, что в нефтезагрязненной почве присутствие дождевых червей и микроорганизмов способствует разложению полиароматических углеводородов, таких как бифенил, бенз-[а]-пирен и бенз-[е]-пирен. При этом авторы отмечают, что деятельность дождевых червей вносит изменения в структуру микробного сообщества, но это не влияет на функционирование микробов в нефтезагрязненной почве. Активность микробной биомассы не меняется в течение всего эксперимента (Natal-Da-Luz Т., Verweij L.I., Morais R.A., VanVelzen P.V., Sousa M.J.M., VanGes-tel J.P. / Influence of earth worm activity on microbial communities related with the degradation of persistent pollutants. Environ // Toxicol. Chem, v. 31, 2012, p. 794-803). Показано, что выживаемость червей, находящихся в нефтезагрязненной почве, достаточно высока, а содержание углеводородов в почве, содержащей червей Е. Fetida, снижается до допустимого уровня. Вторым фактором, повышающим эффективность биоремедиации нефтезагрязненных почв, является присутствие в составе очищаемой почвы различных микроорганизмов, повышающих выживаемость дождевых червей и усиливающих процесс биоремедиации почвы.

Известен способ очистки и рекультивации загрязненных нефтью и нефтепродуктами почв, согласно которому почву обрабатывают препаратами, содержащими бактерии, совместно с дождевыми червями (патент РФ 2217246). Недостаток данного способа - невысокая эффективность очистки почвы - 51%.

Наиболее близким к предлагаемому является способ очистки и восстановления экологических функций субстратов, загрязненных нефтью и нефтепродуктами, который заключается в том, что обрабатывают субстрат биопрепаратами и дождевыми червями аборигенных видов (патент РФ 2412014, прототип). Готовят питательную среду для дождевых червей, используя измельченный до размеров частиц 20-50 мм органический материал: листовой опад, лузгу подсолнечника и т.д., который обрабатывают молочной сывороткой в соотношении компонентов 40-80 л последней на 1 т органического материала. Вносят в субстрат, кроме песчаной почвы, разрыхлитель в количестве, обеспечивающем содержание кислорода в субстрате не менее 12%. Далее в субстрат вносят питательную среду в количестве 10-30% от массы, а затем - биоудобрение в количестве 70-90 мл на 1 м² субстрата. Недостатками способа являются:

- во-первых, эффективная рекультивация почвы возможна только при низком уровне нефтяных загрязнений, а именно при степени загрязнения почвы, не превышающей 20 г/кг;

- во-вторых, высокая стоимость рекультивационных работ, обусловленная необходимостью проведения следующих обязательных технологических операций:

1) введение в почву перед процедурой рекультивации разрыхлителя почвы, в качестве которого авторами предлагается использовать речной песок или опилки нехвойных пород деревьев;

2) введение в почву для успешной рекультивации питательной среды, которая представляет собой измельченный органический материал (листовой опад), пропитанной молочной сывороткой. Питательная среда перед введением в почву заквашивается и ферментируется в течение 5 суток.

Целью настоящего изобретения является эффективная очистка почвы, загрязненной нефтью и нефтепродуктами в количестве до 80 г/кг почвы.

Предлагаемый способ очистки и рекультивации почвы, загрязненной нефтью и нефтепродуктами, включает внесение в почву сорбента, биопрепарата и дождевых червей, причем в качестве сорбента используют органоминеральный сорбент с суммарным объемом пор не менее 2,0 см³/г, средним радиусом пор 200-2000 нм, пропитывают его водным раствором биопрепарата, в качестве которого используют Байкал ЭМ-1, вносят в почву в количестве 0,1-0,2 кг на 1 кг почвы, выдерживают не менее трех недель, после чего вводят дождевых червей E. Fetida в количестве не менее 10 особей на 1 кг почвы и выдерживают в течение 20 недель при температуре не ниже 5°С, при влажности почвы не менее 60%.

Согласно заявляемому способу для очистки от нефти и нефтепродуктов используется как собственная биологическая микрофлора, находящаяся в верхних слоях почвы, так и введенный с биопрепаратом консорциум бактерий, усиливающий процесс окисления углеводородов, причем биологические компоненты перед внесением в почву распределяются и закрепляются в порах макро-мезопористого органоминерального сорбента, имеющего суммарный объем пор не менее 2,0 см³/г, и средний радиус пор 200-2000 нм. Сорбент получают безреагентной термической обработкой природного органического сапропеля при температуре 110-150°С, для него характерны высокие значения нефтеемкости и водопоглощения (Г.В. Плаксин, О.И. Кривонос / Термохимическая переработка озерных сапропелей: состав и свойства продуктов// Рос. хим. ж., 2007, т. LI, №4, с. 140-147).

В составе данного сорбента можно выделить три составляющие компоненты: биологически активную, органическую и минеральную.

Органическая составляющая характеризуется содержанием углерода 47-61%, достаточно высоким содержанием кислорода 23-39%, повышенным содержанием азота 4-6% и водорода 5-9%.

Биологически активная компонента включает в себя целый комплекс разнообразных веществ: азотистые соединения (аминокислоты), ферменты, хлорофилл, органические кислоты и спирты, полисахариды и фенольные соединения. Одним из преимуществ предлагаемого органоминерального сорбента является низкая себестоимость, что обусловлено простой одностадийной технологией его получения, состоящей в выдерживании нативного сапропеля на воздухе при температуре 110-150°С в течение 6-8 часов.

Другим преимуществом является возможность использования органоминерального сорбента для рекультивации нефтезагрязненных почв на больших площадях, поскольку запасы органических сапропелей в России практически неисчерпаемы, например, в Западной Сибири они составляют сотни млн тонн.

Третьим положительным фактором введения в нефтезагрязненную почву органоминерального сорбента, имеющего высокий объем пор с крупными размерами, является то, что в этом случае в процессе рекультивации, кроме снижения содержания углеводородов, изменяется структура почвы, обеспечивая лучшие условия для аэрации почвы и, соответственно, повышения плодородия почвы.

Предлагаемый способ очистки и рекультивации почвы основан на создании благоприятных условий для активного размножения бактерий, участвующих в окислении углеводородов, находящихся в почве, и обеспечении условий для нормальной жизнедеятельности червей, способствующих восстановлению структуры почвы. Данный способ, как и в прототипе, применим к различным типам почвы: черноземы, суглинки и песчаные почвы, и может быть применен при температурах почвы не ниже +5°С и не выше +45°С.

Очистка и рекультивация почвы от нефтезагрязнений проводилась в лабораторных условиях. Еженедельно фиксировали изменение количества червей и их состояние, при этом учитывали следующие показатели: общее количество червей, количество половозрелых особей, количество коконов, выход ювенильных особей червей из одного кокона в каждой емкости. Один раз в месяц по ГОСТ 28168-89 и ГОСТ 17.4.3.01-83 проводили отбор проб почвы для анализа содержания нефти.

Определение содержания нефти или нефтепродуктов в почве проводили по методике, предложенной Институтом экспериментальной метрологии [МУК 4.1.1956-05]. Данная методика основана на определении количества углеводородов, экстрагированных четыреххлористым углеродом из нефтезагрязненной почвы.

Описание методики: Измерения проводили при комнатной температуре. В стеклянную колонку диаметром 1 см, заполненную окисью алюминия слоем 5 см, наливали 3 мл четыреххлористого углерода для смачивания Al₂O₃. После того как CCl₄ впитывался в окись алюминия, в колонку засыпали навеску почвы. Почву накрывали сверху слоем ваты толщиной 3-5 мм и приливали четыреххлористый углерод. Элюат нефтезагрязненной почвы стекал в установленный под колонкой мерный цилиндр со скоростью 0,1-0,2 мл/мин. Первые 3 мл элюата отбрасывали и продолжали приливать CCl₄ в колонку до получения пробы элюата в количестве 10 мл. Полученный элюат заливали в кювету ИК-спектрофотометра ИКН-025 и определяли количество нефтепродуктов в элюате при длине волны 3,42 мкм. В процессе измерений фиксировали показания прибора С, соответствующее количественному содержанию углеводородов в элюате (мг/дм³).

Содержание нефтепродуктов в пробе (X г/кг) рассчитывали по формуле

X=CV/m·1000, где

С - концентрация нефтепродуктов в пробе, по показаниям прибора, мг/дм³;

V - объем элюата, см³;

m - навеска почвы, г;

η - коэффициент разбавления n=V₂/V₁

, где

V₁ - объем элюата, см³;

V₂ - объем CCl₄, взятого для разбавления, см³.

Для каждого эксперимента было проведено по три параллельных измерения. Полученные результаты обработаны с использованием рангового метода Фридмана с использованием лицензионной программы «Статистика», и далее учитывались средние значения по результатам трех параллельных измерений.

Анализ результатов, полученных при еженедельном отборе проб, показал, что содержание нефти в почве монотонно снижается при увеличении времени рекультивации.

Сущность изобретения иллюстрируется примерами. Результаты рекультивации нефтезагрязненной почвы по заявляемому способу приведены в Таблице.

Пример 1. В три емкости объемом 2 л на дно укладывают дренаж. В качестве дренажа используют керамзит с размером частиц 2 см, на дренаж насыпают слой почвы толщиной 15 см (1 кг). К образцам почвы добавляют нефть Самотлорского месторождения в количестве 20 г/кг (три параллельных опыта).

В другие три емкости помещают 200 г органоминерального сорбента и увлажняют по емкости (400 мл) 1% водным раствором биопрепарата «Байкал-ЭМ-1».

Образцы увлажненного сорбента вносят в емкости с нефтезагрязненной почвой в соотношении сорбент: почва = 1:5 и тщательно перемешивают. Емкости закрывают полотняной тканью и оставляют на 4 недели при комнатной температуре, еженедельно увлажняя смеси водой.

После выдержки смеси почвы и органоминерального сорбента, увлажненного биопрепаратом, в течение 4 недель, в емкости со смесью вносят по 10 половозрелых особей червей Е. Fetida и выдерживают при комнатной температуре в течение 20 недель, еженедельно увлажняя смеси водой. Результаты приведены в таблице.

Пример 2. В три емкости объемом 2 л на дно укладывают дренаж. В качестве дренажа используют керамзит с размером частиц 2 см, на дренаж насыпают слой почвы толщиной 15 см (1 кг). К образцам почвы добавляют нефть Самотлорского месторождения в количестве 20 г/кг, по 10 половозрелых особей червей Е. Fetida и выдерживают при комнатной температуре в течение 20 недель, еженедельно увлажняя смеси водой. Результаты приведены в таблице.

Пример 3. В три емкости объемом 2 л на дно укладывают дренаж. В качестве дренажа используют керамзит с размером частиц 2 см, на дренаж насыпают слой почвы толщиной 15 см (1 кг). К образцам почвы добавляют нефть Самотлорского месторождения в количестве 20 г/кг (три параллельных опыта).

В другие три емкости помещают 200 г органоминерального сорбента и увлажняют по емкости (400 мл) водой.

Образцы увлажненного сорбента вносят в емкости с нефтезагрязненной почвой в соотношении сорбент: почва = 1:5 и тщательно перемешивают. Емкости закрывают полотняной тканью и оставляют на 4 недели при комнатной температуре, еженедельно увлажняя смеси водой. Затем в смеси добавляют по 10 половозрелых особей червей Е. Fetida и выдерживают при комнатной температуре в течение 20 недель, еженедельно увлажняя смеси водой. Результаты приведены в таблице.

Пример 4. Обработку почвы проводят аналогично примеру 1, при этом в почву добавляют 40 г/кг нефти.

Пример 5. Обработку почвы проводят аналогично примеру 2, при этом в почву добавляют 40 г/кг нефти.

Пример 6. Обработку почвы проводят аналогично примеру 1, при этом в почву добавляют 60 г/кг нефти.

Пример 7. Обработку почвы проводят аналогично примеру 6, но не вводят червей Е. Fetida.

Пример 8. Обработку почвы проводят аналогично примеру 1, при этом в почву добавляют 80 г/кг нефти.

Пример 9. Аналогичен примеру 2, при этом в почву добавляют 80 г/кг нефти.

Пример 10. Аналогичен примеру 7, при этом в почву добавляют 80 г/кг нефти.

Контрольная проба. В три емкости объемом 2 л на дно укладывают дренаж. В качестве дренажа используют керамзит с размером частиц 2 см, на дренаж насыпают слой почвы толщиной 15 см (1 кг). К образцам почвы добавляют нефть Самотлорского месторождения в количестве 20 г/кг (три параллельных опыта). Почву выдерживают при комнатной температуре в течение 20 недель, еженедельно увлажняя водой. Результаты приведены в таблице.

Как видно из приведенных примеров и таблицы, предлагаемый способ позволяет провести очистку почвы, загрязненной нефтью и нефтепродуктами в количестве до 80 г/кг. Технический результат - содержание нефти после рекультивации составляет 0,5-0,8 г/кг, а степень очистки - 94-97%, что соответствует условию низкого уровня загрязнения почвы нефтью и нефтепродуктами, указанному в РД (Руководящий документ - «Методика определения ущерба окружающей природной среде при авариях на магистральных нефтепроводах» - Утвержден Минтопэнерго РФ 01.11.95 г. - М., 1996).