Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ОЧИСТКИ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ ОТ ПЛЕНОЧНЫХ И ЭМУЛЬГИРОВАННЫХ НЕФТЕПРОДУКТОВ

Способ относится к методам защиты природных водных объектов и может быть использован для биологической очистки водных акваторий с малой площадью, в частности малых рек и озер, от пленочных и эмульгированных нефтей и нефтепродуктов.

Известны способы очистки природных водных объектов, загрязненных нефтью и нефтепродуктами, с использованием адаптированного консорциума нефтеокисляющих микроорганизмов, выделенных из образцов нефтезагрязненных сред (патент РФ №2129604, C12N 1/20, опубл. 27.04.1999; патент РФ №2127310, C12N 1/20, опубл. 10.03.1999; патент РФ №2565817, C12N 1/20, опубл. 20.10.2015, бюл. №29).

Недостатками данных способов являются высокие эксплуатационные затраты, связанные с селекцией микроорганизмов, а также подготовкой и хранением микробного биопрепарата.

Известны способы очистки природных водных сред с использованием биосорбентов, представляющих собой природные или синтетические сорбирующие материалы с иммобилизованной на их поверхности нефтеокисляющей микрофлорой (патент РФ №2209113, опубл. 27.07.2003, бюл. №21; патент РФ №2356856, опубл. 27.05.2009, бюл. №15; патент РФ №2193533, опубл. 27.11. 2002, бюл. №33; патент РФ №2280013, опубл. 20.07.2006, бюл. №20).

Недостатками данных способов являются высокие эксплуатационные затраты, низкая рентабельность на заключительных этапах очистки, а также необходимость последующей утилизации отработанных материалов.

Известны способы очистки вод с применением прибрежно-водной растительности, например камыша, рогоза широколиственного, осоки, тростника обыкновенного и т.д. (а.с. СССР N 918277, кл. C02F 3/32, БИ № 13, 1982 г.; патент РФ №2 094 392, C02F 3/32, опубл. 27.10.1997; патент РФ №2219138, опубл. 20.12.2003, бюл. №35; патент РФ №2530173, C02F 3/32, опубл. 10.10.2014, бюл. №28; патент РФ №2181703, C02F 9/00, опубл. 27.04.2002, бюл. №12).

Недостатками данных методов являются низкая эффективность процесса очистки в пересчете на единицу занимаемой площади, а также сезонность работы.

Наиболее близким по ряду признаков и достигаемому результату является способ очистки водных акваторий от нефтяных загрязнений (патент РФ №2375315, C02F 3/34, опубл. 27.08.2008, бюл. №34). Способ включает применение специальной плавающей конструкции - санитарной водорослевой плантации, представляющей собой биофильтр, где в качестве загрузки используется водная растительность, представленная морскими водорослями - макрофитами (фикусовые и ламинариевые), а в качестве микроорганизмов - природные ассоциации углеводородокисляющих бактерий. Данный способ является экологически чистым и безопасным. Совместное применение бактерий и водорослей обеспечивает высокую степень очистки.

Недостатки прототипа обусловлены специфичностью метаболизма морских водорослей и, как следствие, невозможностью их применения для очистки пресных или слабосоленых вод, например водных бассейнов рек и озер.

Задача изобретения состоит в разработке эффективного способа биологической очистки водных акваторий с малой площадью, в частности малых рек и озер, от нефтяных загрязнений с исходной концентрацией последних до 10 мг/л.

Поставленная задача решается тем, что в способе очистки водных объектов от пленочных и эмульгированных нефтепродуктов, включающем применение специальной конструкции, представляющей собой биофильтр, где в качестве загрузки используется водная растительность, а в качестве микроорганизмов - природные ассоциации углеводородокисляющих бактерий, согласно изобретению, в качестве водной растительности используют водные растения - элодею зубчатую (Elodea densa Plancon) и наяду мелкозубчатую (Najas microdon), в качестве микроорганизмов - консорциум активированных аборигенных нефтеокисляющих микроорганизмов. Дополнительно в качестве фактора роста микроорганизмов осуществляется предварительная обработка фитомассы растений водным раствором гуминовых препаратов.

Консорциум аборигенных культур представляет собой активированные штаммы нефтеокисляющих микроорганизмов, присутствующие в нефтезагрязненных природных средах. Активацию осуществляют в ферментере путем внесения образцов нефтезагрязненной среды в жидкую питательную среду, где в качестве единственного источника углерода и энергии используют нефть или нефтепродукт.

Элодея зубчатая (Elodea densa Plancon) - род многолетних водных трав семейства Водокрасовые. Обладает длинными стеблями до 2-3 метров в длину, на своих мутовках имеет по 3-5 больших продолговатых листков длиной 15-20 мм. Элодея пускает длинные сильно разветвленные стебли, растущие чрезвычайно быстро, образуя непроходимые заросли. Стебли растения не отмирают на зиму и развиваются круглый год, легко размножается черенками. Температурный оптимум для растения составляет 16-24°С. Растение хорошо развивается в воде с любыми показателями рН и жесткости.

Наяда мелкозубчатая (Najas microdon) - это вечнозеленое многолетнее растение, целиком погруженное в толщу воды, имеющее тонкие ветвистые стебли с расположенными на них узколинейными листьями светло-зеленого цвета. Листовая пластинка достигает длины 25-30 мм. Корневая система наяды развита слабо, она чаще представлена нитевидными корнями белого цвета, выходящими из узлов стебля. Данное растение крайне неприхотливо, теневыносливо, легко размножается вегетативно, даже небольшие куски побега в скором времени превращаются в новые растения. При наличии грунта из нижних узлов образуется мочка корней, в этом случае стебли растут вертикально. При отсутствии грунта растения образуют в толще воды густое переплетение стеблей. Поглощение из воды растворенных веществ происходит всей поверхностью тела растения, а в воду выделяется кислород. Оптимальный температурный режим жизнедеятельности находится в пределах 12-25°С. Растение сохраняет свою жизнедеятельность в воде даже под слоем льда.

Предлагаемый способ включает установку ниже по течению (для рек) или по периметру (для стоячих водных объектов) от предполагаемого места загрязнения специальных плантаций. В качестве места установки выбираются участки на мелководье с глубиной до 2 м. Плантации устанавливаются на дно в шахматном порядке.

Плантации представляют собой пластиковые поддоны, заполненные песком с высаженными на них водными растениями. Размеры поддонов и их количество определяются исходя из размеров водного объекта, а также степени загрязнения.

Подготовка поддонов включает 3 стадии. На начальной стадии осуществляется высадка растений на поддоны рядами с интервалом 20-25 см. Затем производится обработка фитомассы растений водным раствором гуминовых препаратов (содержание сухого вещества не менее 100 г/л), например гуматом натрия из расчета 0,3-0,5 мл/(г фитомассы). На заключительной стадии поддоны с растениями помещают в специальные бассейны, заполненные культуральной жидкостью (суспензия аборигенных нефтеокисляющих микроорганизмов) и выдерживают в течение 10-12 часов при комнатной температуре.

Суспензию микроорганизмов получают путем внесения отобранных непосредственно на месте загрязнения, проб воды в жидкую минеральную среду следующего состава, г/л: NaNO₃ - 2, KH₂PO₄ - 1,0, MnSO₄ - 0,013, MgSO₄⋅7H₂O - 0,5, ZnSO₄ - 0,002, Fe₂(SO₄)₃ - 0,001. В качестве единственного источника углерода и энергии используют нефть или гексадекан из расчета 1% масс. Наработку культуральной жидкости осуществляют в ферментере при температуре 30°С до титра клеток 10⁹ кл/мл. Отбор проб нефтезагрязненных природных вод осуществляют в соответствии с ГОСТ 53415-2009. Вода. Отбор проб для микробиологического анализа.

Пример 1. Для проведения опыта готовили серию образцов предлагаемых растений, которые выдерживали в культуральной жидкости (титр клеток 10⁹ кл/мл) в течение суток при комнатной температуре. Для приготовления культуральной жидкости использовали пробы, отобранные на р. Шугуровка (г. Уфа, респ. Башкортостан). В качестве единственного источника углерода и энергии использовали гексадекан из расчета 1% масс. В качестве фактора роста фитомассу растений обрабатывали гуматом натрия (содержание сухого вещества 100 г/л) из расчета 0,4 мл/(г фитомассы).

Эффективность процесса иммобилизации микробных клеток оценивали турбидиметрическим методом по изменению оптической плотности (ОП_600нм) клеточной суспензии. Отбор проб производили каждые 2 часа. Определение оптической плотности производили на спектрофотометре Specord 40 при длине волны 600 нм. Контролем служили интактные клетки, культивированные в аналогичных условиях. Результаты представлены на чертеже.

Идентификацию иммобилизованных на поверхности растений микроорганизмов осуществляли путем высева на селективные агаризованные среды. Определение культуральных, морфологических и физиолого-биохимических свойств культур проводили по стандартным методикам, используя «Определитель бактерий Берджи». [Хоулт Дж., Криг Н. Определитель бактерий Берджи. Изд-во: Мир, 1997. В 2-х т.].

Как видно из фиг. 1 процесс иммобилизации микробных клеток на поверхности наиболее интенсивно протекает в первые 12 часов, при этом оптимальным временем, обеспечивающим максимальное закрепление клеток на поверхности субстрата, является 10-12 часов.

В результате исследования микробиологического состава образцов отмечено наличие в основном нефтеокисляющих бактерий из рода Bacillus, Pseudomonas, Rhodococcus, Micrococcus, Acinetobacter.

Пример 2. Оценку эффективности предлагаемого способа осуществляли в лабораторных условиях. Для этого готовили серию модельных образцов воды с различной исходной концентрацией нефтепродукта (дизельное топливо), мг/л: 0,5; 1,0; 2,0; 5,0; 10,0; 15,0. Для исследования использовали емкости объемом 50 л. На дно емкостей устанавливались плантации с растениями, обработанными по схеме примера 1. Эксперимент проводили при комнатной температуре в течение 7 суток. Контролем являлись емкости без установки растительных плантаций. Убыль нефтепродуктов определяли по остаточному суммарному содержанию нефти и нефтепродуктов в пробах методом ИК - спектрометрии на приборе ИКН-025, после экстракции четыреххлористым углеродом по известной методике [ПНДФ 14.1:2.5-95 «Методика выполнения измерений массовой концентрации нефтепродуктов в природных и сточных водах методом ИК-спетрометрии»]. Повторность опыта пятикратная.

Усредненные результаты представлены в таблице 1.

Как видно из таблицы 1, предлагаемый способ позволяет значительно снизить содержание нефтепродуктов в воде, при этом наибольшие значения наблюдаются при исходной концентрации нефтепродуктов до 10 г/мл.

Пример 3. Опыт ставился по схеме примера 2. В качестве загрязнителя для проведения эксперимента были выбраны гексадекан, дизельное топливо, нефть малосернистая. Исходная концентрация загрязнителя в воде составляла 2 мг/л. Обработку фитомассы растений гуматом натрия (содержание сухого вещества 100 г/л) производили из расчета 0,1; 0,3; 0,5; 0,7 и 1 мл/(г фитомассы).

Усредненные результаты представлены в таблице 2.

Как видно из таблицы 2, обработка фитомассы гуматами натрия способствует увеличению степени биодеструкции нефти и нефтепродуктов, при этом оптимальной является обработка из расчета 0,3-0,5 мл/ (г фитомассы).

Пример 4. Предлагаемый способ был опробован в опытно-промышленных условиях. В качестве объекта исследования была выбрана р. Шугуровка (г. Уфа, респ. Башкортостан) - правый приток р. Уфы.

С постройкой первого крекинг-завода в 1939 гг. бассейн реки постоянно испытывает техногенную нагрузку от комплекса нефтеперерабатывающих предприятий в северной части города и ОАО «Уфахимпром», находящихся в непосредственной близости от русла реки.

В качестве исследуемого участка был выбран участок на мелководье вдоль Бирского тракта, на 5 км выше по течению от поселка Тимашево. Ширина реки на выбранном участке 5,5 м, глубина 1,6 м.

Для проведения опыта изготавливали пластиковые поддоны 1×2 м. Плантации устанавливали в шахматном порядке в 2 ряда, длинной стороной вдоль течения реки. Обработку растений осуществляли по схеме примера 1.

Эксперимент проводили с мая по сентябрь. Среднесуточная температура на момент проведения опытов изменялась от +12 до +27°С.

Оценку эффективности предлагаемого способа осуществляли по изменению суммарной концентрации нефтепродуктов в контрольных точках, а также косвенно по приросту численности углеводородокисляющих микроорганизмов на поверхности исследуемых растений. Учет микроорганизмов вели путем высева на агаризованную среду Раймонда [Егоров Н.С. Руководство к практическим занятиям по микробиологии. - М: МГУ, 1995. - 224 с.]. Визуальную оценку проводили по наличию или отсутствию радужной пленки на водной поверхности. Отбор проб осуществляли каждые 2 недели в 3 контрольных точках (КТ) согласно [Р 52.24.353-2012. Отбор проб поверхностных вод суши и очищенных сточных вод]. В качестве контроля отбирались пробы воды на 50 м выше по течению от места закладки плантаций.

Результаты исследования представлены в табл. 3 и 4.

Как видно из таблицы 3 и 4, применение данного способа на природных водных объектах, испытывающих значительные техногенные нагрузки от близлежащих промышленных предприятий, позволяет снизить концентрацию токсичных загрязнителей в воде до уровня ПДК.

Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает высокоэффективную очистку водных объектов с малой площадью, в частности малых рек и озер, от нефтяных загрязнений и может быть рекомендован к широкому внедрению.