Результат интеллектуальной деятельности: Способ очистки отходов щебневого балласта, применяемого на железной дороге

Изобретение относится к области биотехнологии и может быть использовано для очистки отходов щебневого балласта, применяемого на железной дороге от нефтепродуктов.

Известен способ очистки материала основы дорожного покрытия от нефти и нефтепродуктов и устройство для его реализации (заявка RU 2002100615/11). Очистку материала основы дорожного покрытия осуществляют путем засасывания его воздухом и загрузки в промывочную емкость. Перед сбором загрязненного твердого материала осуществляют его предварительную очистку от мусора, обладающего парусностью, с последующей его переработкой. Моющий раствор на отмывку подают снизу вверх под давлением, с одновременной подачей сжатого воздуха, причем часть сжатого воздуха подают в верхнюю часть промывочной емкости вдоль поверхности жидкости. Нефтесодержащую эмульсию перед очисткой фильтруют, отделяя твердые частицы. Очистку и фазовое разделение образующих стоков (нефтесодержащей эмульсии и моющего раствора) осуществляют в многосекционной установке. Шлам после удаления из установки очистки подвергают дополнительному разделению путем отстаивания или фильтрации, с последующим направлением жидкой фазы на повторную очистку в установку. Устройство для реализации предлагаемого способа выполнено на базе универсальной промывочной станции (УМПС), в которую также внесены соответствующие изменения и дополнения.

Известен способ обеззараживания и утилизации отсева щебеночного и/или асбестового балласта (патент РФ 2 372 439) балласта. Отсев щебеночного и/или асбестового балласта загружают в устройство для промывки. Промывку отсева балласта ведут путем механического перевешивания с моющим раствором. После промывки отсев балласта и загрязненный моющий раствор отводят совместно и разделяют. При разделении отсев балласта рассеивают на фракции и отводят для использования по назначению. Отделенный загрязненный моющий раствор через сопла подают в отстойник центробежного типа для очистки путем разделения фаз. Из отстойника отводят раздельными потоками выделенные нефтепродукты, моющий раствор и шлам. Шлам обезвоживают и затем обезвреживают с использованием химических реагентов. Моющий раствор подвергают очистке от солей тяжелых металлов и остаточных нефтепродуктов. Образующийся осадок солей тяжелых металлов периодически отводят на стадию обезвреживания шлама. Очищенный моющий раствор вновь подают на стадию механической промывки отсева балласта. Перед подачей моющего раствора на стадию промывки в него вводят техническое моющее средство, не требующее нагрева воды.

Недостатки способов - трудоемкость, применение моющих средств – ПАВов.

Известен способ очистки песка от нефти и нефтепродуктов (патент РФ 2049871), который можно использовать не только при очистке песка прибрежной зоны, но также другого материала загрязненного нефтью (грунта, дорожного материала и т.п.). Сущность способа заключается в следующей совокупности операций: - забор песка и его обработка водным раствором с использованием воды из водоема путем промывки песка сначала подогретой до 20-100°С водой из водоема с последующим отделением нефти путем отслаивания; - обработка песка противотоком водным раствором с добавлением такого количества поверхностно-активного вещества (ПАВ), при котором происходит отделение нефти с поверхности твердых частиц с образованием водно-нефтяной эмульсии; - разделение твердой фазы и водно-нефтяной эмульсии; - разрушение последней посредством обработки деэмульгатором до образования раздельных слоев нефти и воды, содержащих деэмульгатор и ПАВ; - разделение этих слоев, с выделением из них деэмульгатора путем его отгонки с возвращением его на операцию разрушения водно-нефтяной эмульсии, образовавшейся при дальнейшей обработке загрязненного материала; - водный раствор, содержащий ПАВ, направляют на дополнительную промывку песка, корректирование в нем содержания ПАВ и использование для очистки новой партии загрязненного материала, а также его ополаскивание для удаления ПАВ водой из водоема, которую затем направляют на операцию очистки для восполнения потерь воды. Однако в этом способе имеются и отходы - часть воды сбрасывается в водоем, которую невозможно полностью очистить от ПАВ, а это ведет к зарастанию водоемов. Кроме того, по изобретению отмытая нефть содержит мелкую фракцию песка и других мелких частиц. Технология включает значительное число операций, что увеличивает время очистки и требует большое количество чистой воды из водоема.

Задачей заявленного изобретения является разработка способа очистки отходов щебневого балласта, применяемого на железной дороге от нефтепродуктов с помощью биомассы консорциума микроорганизмов– нефтедеструкторов, которые увеличат эффективность очистки, уменьшат время на очистку и не создадут вторичные отходы.

Технический результат достигается тем, что биомасса консорциума на носителе, согласно изобретения, содержит смесь штамма бактерии Pseudomonas yamanorum, дрожжей Rhodotorula glutinis и микроводорослей Chlorella vulgaris f. Globosa взятых в равных соотношениях, 1:1:1, титром клеток 10¹² кл/мл и иммобилизованных на глауконит.

Технический способ очистки достигается тем, что культивированную биомассу консорциума на носителе, предварительно активировав в воде в течении суток, вносят в ротор с загрязненным отходом щебневого балласта, перемешивая в течении 15 минут для обеспечения максимально равномерного нанесения препарата на щебень и смывания с щебня нефтепродуктов.

Ниже описаны штаммы микроорганизмов, входящих в состав консорциума.

Штамм бактерий Pseudomonas yamanorum выделен с грунта, отобранного с участка железнодорожного полотна в г. Сыктывкаре Республики Коми, способен активизировать деструкцию нефти и нефтепродуктов в воде, в дерново-подзолистой почве, а также в масляных грунтах на участках железной дороги. Штамм депонирован во Всероссийской коллекции микроорганизмов Института биохимии и физиологии микроорганизмов РАН им. Скрябина. Штамму присвоен номер VKM В-3033D.

Штамм характеризуется следующими признаками:

I. Культурально-морфологические:

На среде МПА колонии точечные Ø < 1 мм, со слизистым чехлом (до 5 мм), палево-желтые, непрозрачные, блестящие, круглые, профиль выпуклый, край ровный. В среду диффундирует неоново-желтый пигмент. На средах Чапека-Докса, Виноградского и КАА окраска колоний палевая, на средах Виноградского и КАА не образует слизи. На средах Эндо и Гисса с глюкозой отмечено обильное образование слизи.

II. Физиолого-биохимические:

Аэроб с окислительным типом метаболизма. Не нуждается в факторах роста. Каталазаположительный. Способен к нитрификации. Обладает амилолитической активностью. Использует как единственный источник углеводов сахарозу, глюкозу, лактозу, маннит.

III. Данные молекулярно генетического анализа:

> S1-09.15 6SrRNA ,

AGTAATGCCTAGGAATCTGCCTGGTAGTGGGGGATAACGTCCGGAAACGGACGCTAATACCGC ATACGTCCTACGGGAGAAAGCAGGGGACCTTCGGGCCTTGCGCTATCAGATGAGCCTAGGTCGGATTA GCTAGTTGGTGGGGTAATGGCTCACCAAGGCGACGATCCGTAACTGGTCTGAGAGGATGATCAGTCAC ACTGGAACTGAGACACGGTCCAGACTCCTACGGGAGGCAGCAGTGGGGAATATTGGACAATGGGCGAA AGCCTGATCCAGCCATGCCGCGTGTGTGAAGAAGGTCTTCGGATTGTAAAGCACTTTAAGTTGGGAGG AAGGGCAGTAAATTAATACTTTGCTGTTTTGACGTTACCGACAGAATAAGCACCGGCTAACTCTGTGC CAGCAGCCGCGGTAATACAGAGGGTGCAAGCGTTAATCGGAATTACTGGGCGTAAAGCGCGCGTAGGT GGTTCGTTAAGTTGGATGTGAAATCCCCGGGCTCAACCTGGGAACTGCATTCAAAACTGACGAGCTAG AGTATGGTAGAGGGTGGTGGAATTTCCTGTGTAGCGGTGAAATGCGTAGATATAGGAAGGAACACCAG TGGCGAAGGCGACCACCTGGACTGATACTGACACTGAGGTGCGAAAGCGTGGGGAGCAaACAGGATTA GATACCCTGGTAGTCCACGCCGTAAACGATGTCAACTAGCCGTTGGGAGCCTTGAGCTCTTAGTGGCG CAGCTAACGCATTAAGTTGACCGCCTGGGGAGTACGGCCGCAAGGTTAAAACTCAAATGAATTGACGG GGGCCCGCACAAGCGGTGGAGCATGTGGTTTAATTCGAAGCAACGCGAAGAACCTTACCAGGCCTTGA CATCCAATGAACTTTCTAGAGATAGATTGGTGCCTTCGGGAACATTGAGACAGGTGCTGCATGGCTGT CGTCAGCTCGTGTCGTGAGATGTTGGGTTAAGTCCCGTAACGAGCGCAACCCTTGTCCTTAGTTACCA GCACGTwATGGTGGGCACTCTAAGGAGACTGCCGGTGACAAACCGGAGGAAGGTGGGGATGACGTCAA GTCATCATGGCCCTTACGGCCTGGGCTACACACGTGCTACAATGGTCGGTACAGAGGGTTGCCAAGCC GCGAGGTGGAGCTAATCCCAGAAAACCGATCGTAGTCCGGATCGCAGTCTGCAACTCGACTGCGTGAA GTCGGAATCGCTAGTAATCGCGAATCAGAATGTCGCGGTGAATACGTTCCCGGGCCTtGTACACA CCGCCCGTCACACCATGGG-AGTGGGTTGCACCAGAAGTAGcTAG

> S1-09.15 gyrase_subunit_B ,

aACTCCTATAAaGTATCCGGCGGTTTGCACGGTGTAGGTGTTTCGGTAGTAAACGCCCTTTCTGAAGAGCTGATCCTGACTGTACGTCGTAGCGGCAAGATCTGGGAACAGACTTACGTTCATGGTGTTCCACAGGAACCGATGAAAATCGTCGGTGACAGCGAAAGCACTGGTACGCAGATTCACTTCAAGCCTTCGGCTGAAACCTTCAAGAACATCCACTTCAGCTGGGACATTCTGGCCAAGCGGATTCGTGAACTGTCTTTCCTGAACTCCGGTGTGGGTATCGTCCTCAAGGACGAACGCAGCGGCAAGGAAGAGCTGTTCAAGTACGAAGGCGGCCTGCGTGCGTTCGTTGAATACCTGAACACCAACAAGACCGCGGTCAATCAGGTGTTCCACTTCAACATCCAGCGTGAAGACGGCATCGGCGTAGAAATCGCCCTGCAGTGGAACGACAGCTTCAACGAGAACCTGTTGTGCTTCACCAACAACATTCCTCAGCGCGATGGCGGTACTCACCTGGTGGGTTTCCGTTCTGCACTGACGCGTAACCTGAACACCTACATCGAAGCGGAAGGCCTGGCGAAGAAACACAAAGTCGCCACCACCGGTGACGATGCCCGCGAAGGCCTAACCGCCATTATCTCGGTCAAGGTTCCGGATCCGAAGTTCAGCTCCCAGACCAAAGACAAGCTGGTGTCCTCCGAAGTGAAGACAGCGGTCGAACAGGAAATGGGCAAGTACTTCTCCGACTTCCTGCTGGAAAACCCGAACGAAGCCAAGCTGGTTGTCGGCAAGATGATCGACGCAGCACGGGCTCGTGAAGCGGCGCGTAAAGCCCGTGAGATGACGCGTCGTAAAGGTGCGCTGGATATCGCCGGCCTGCCGGGCAAACTGGCTGACTGCCAGGAGAAAGACCCTGCCCTCTCCGAACTGTACCTGGTGGAAGGTGACTC

S1-09.15_gyrB (фрагмент белковой последовательности)

SYKVSGGLHGVGVSVVNALSEELILTVRRSGKIWEQTYVHGVPQEPMKIVGDSESTGTQIHFKPSAETFKNIHFSWDILAKRIRELSFLNSGVGIVLKDERSGKEELFKYEGGLRAFVEYLNTNKTAVNQVFHFNIQREDGIGVEIALQWNDSFNENLLCFTNNIPQRDGGTHLVGFRSALTRNLNTYIEAEGLAKKHKVATTGDDAREGLTAIISVKVPDPKFSSQTKDKLVSSEVKTAVEQEMGKYFSDFLLENPNEAKLVVGKMIDAARAREAARKAREMTRRKGALDIAGLPGKLADCQEKDPALSELYLVEGD

В классификации микроорганизмов по группам патогенности Санитарно-эпидемиологических правил СП 1.3.2322-08 от 1 мая 2008 г. «Безопасность работы с микроорганизмами III - IV групп патогенности (опасности) и возбудителями паразитарных болезней» данный вид (род) не значится.

Режим хранения штамма - длительное хранение в лиофилизированной форме в плотно запаянных стеклянных ампулах. Кратковременное хранение (для подготовки биомассы с целевым использованием) - периодические пересевы - 1 раз в 2 месяца с хранением выросшей чистой культуры на скошенном агаре среды следующего состава: на на 1000 мл воды – Пептон – 20 г, NaCl – 3,0 г; KCl – 1,0 г; MgSO₄×7H₂O – 0,5 г; агар микробиологический – 20,0; в закрытых пробирках в холодильнике при температуре не выше +6 и не ниже +1 ⁰С.

Штамм Rhodotorula glutinis выделен в 2014 году из нефтяного шламонакопителя Усинского района Республики Коми, способный к нефтеокислению. Штамм депонирован во Всероссийской коллекции микроорганизмов Института биохимии и физиологии микроорганизмов РАН им. Скрябина. Штамму присвоен номер VKM Y-2998D.

Культурально-морфологические и физиолого-биохимические особенности штамма.

Колонии красные слизистые выпуклые блестящие гладкие, край ровный.

Клетки почкующиеся округлые, овальные, 2.5-6.0 Ч 4.0-8.5 мкм, с небольшой капсулой. Баллистоспоры и псевдомицелий отсутствуют.

Образование истинного мицелия и телиоспор не наблюдалось как в монокультуре, так и при скрещивании с типами спаривания Rhodosporidium babjevae Golubev, R. paludigenum Fell et Tallman и R. toruloides Banno.

Сахара не сбраживает.

Ассимилирует глюкозу, мальтозу, мелецитозу (слабо), L-арабинозу (слабо), рамнозу (медленно), сорбит, маннит, этанол. Не ассимилирует лактозу, эритрит, арабит, дульцит, инозит, глюкуронат.

Усваивает нитраты, нитриты (медленно), лизин, этиламин (слабо).

Крахмалоподобные вещества не образует.

При +37°С не растет.

В классификации микроорганизмов по группам патогенности Санитарно-эпидемиологических правил СП 1.3.2322-08 от 1 мая 2008 г. «Безопасность работы с микроорганизмами III - IV групп патогенности (опасности) и возбудителями паразитарных болезней» данный вид (род) не значится.

Режим хранения штамма - длительное хранение в лиофилизированной форме в плотно запаянных стеклянных ампулах. Кратковременное хранение (для подготовки биомассы с целевым использованием) – периодические пересевы – 1 раз в 2 месяца с хранением выросшей чистой культуры на скошенном агаре среды следующего состава: на 1000 мл воды - Сахароза 30 г, NaNO₃ – 3,0 г; KH₂PO₄ – 1,0 г; KCl – 0,5 г; MgSO₄×7H₂O - 0,5 г; агар микробиологический – 20,0; в закрытых пробирках в холодильнике при температуре не выше +6 и не ниже +1 ⁰С.

Штамм микроводоросли Chlorella vulgaris f. globosa выделен в 2010 г. из почвы на стоянке оленеводов в Приполярном Урале, способен к нефтеокислению. Штамм депонирован в Коллекции микроорганизмов Института биологии Коми НЦ УрО РАН. Штамму присвоен номер IPPAS-2024.

Морфологическая характеристика штамма:

Форма клеток – шаровидная, размер от 3.3 до 13.3 мкм в диаметре. Пириноид округлый с 2-4 крахмальными зернами, хорошо заметный. Хроматофор чашевидный, зеленый. Жгутиков нет, автоспоры освобождаются путем разрыва материнской оболочки и имеют форму от неправильно шаровидной до тетраэдрической, пустые оболочки материнских клеток двух-трехдольчатые. Особенности морфологии при длительном хранении: увеличение размеров клеток за счет вакуолизации, образование бесцветных капель масла в клетках. Особенности морфологии в условиях оптимального роста: большая часть клеток находится в диапазоне 6-8 мкм.

В классификации микроорганизмов по группам патогенности Санитарно-эпидемиологических правил СП 1.3.2322-08 от 1 мая 2008 г. «Безопасность работы с микроорганизмами III – IV групп патогенности (опасности) и возбудителями паразитарных болезней» данный вид (род) не значится.

Режим хранения штамма – для подготовки биомассы с целевым использованием – периодические пересевы – 1 раз в 2 месяца с хранением выросшей чистой культуры на скошенном агаре среды Болда (табл.1):

Таблица 1.

Состав среды Болда

В 936 мл дистиллированной воды необходимо добавить по 10 мл раствора каждого из 6 макроэлементов и по 1 мл каждого микроэлемента и по 1 мл каждого раствора микроэлементов, затем автоклавировать. рН конечного раствора – 6.6. Среда хранится в закрытых пробирках в холодильнике при температуре не выше +6 и не ниже +1 єС.

Провели раздельное культивирование штаммов микроорганизмов консорциума по 6 литров каждой культуры и объединили в альго-бактериально-дрожжевой консорциум в стерильную емкость для дальнейших экспериментов.

Культивирование биомассы микроорганизмов проведено на жидких средах:

1. Бактерий Pseudomonas yamonorum на среде МПА: на 1000 мл воды – Пептон –

20 г, NaCl – 3,0 г; KCl – 1,0 г; MgSO₄х7H₂O – 0,5 г.

2. Дрожжей Rhodotorula glutinis на среде Чапека: на 1000 мл воды - Сахароза 20 гБ NaNO₃-3,0 г; KH₂PO₄ – 1,0 г; KCl – 0,5 г; MgSO₄х5H₂O - 0,5 г.

3. Микроводорослей Chlorella vulgaris на среде Люка: водопроводная вода – 1000 мл, минеральный ионит «Ionsorb™», стабилизированный гашенной известью и минеральным ионитом «Ionsorb™» куриный помет при следующем соотношении компонентов:

- водопроводная вода – 99,75 %;

- минеральный ионит «Ionsorb™» – 0,2 %;

- стабилизированный гашенной известью и минеральным ионитом «Ionsorb™» куриный помет – 0,05 %.

Носитель - минеральный ионит «Ionsorb™» - глауконитовый песчаник Бондарского месторождения Тамбовской области. Предназначен для иммобилизации клеток консорциума после их смешивания в симбиотический комплекс. «Ionsorb™» выступает в качестве базы-транспорта для консорциума микроорганизмов. В экологически неблагоприятных условиях «Ionsorb™» позволяет жить микроорганизмам в анабиозе до 10 лет.

Проведен эксперимент для определения смыва нефтепродуктов с неочищенного щебеночного балласта и эмульгирования их в биомассу консорциума на носителе.

Пример 1.

В ротор загрузили 17 кг загрязненного щебня, отобранного с железнодорожных путей депо. Далее в ротор вводили 18 литров активированной суспензии консорциума на носителе с титром клеток 10¹² кл/мл и периодически перемешивали для обеспечения максимально равномерного нанесения препарата на щебень и смывания с щебня загрязнителей. Время экспозиции 15 минут, 1 час, 36 часов. Частота перемешивания – 4 раза по 1 часу в течении суток.

Спустя 15 минут, 1 час и 36 часов после перемешивания в образцах отработанной суспензии, отобранной из ротора, было проведено микроскопирование, которое показало наличие большого количества клеток дрожжей, бактерий и микроводорослей.

Отбор проб отработанной суспензии проводили для определения в ней содержания нефтепродуктов и определения эффективности очистки отходов щебневого балласта. Содержание нефтепродуктов анализировали методом флуориметрии на анализаторе жидкости «Флюорат – 02» в соответствии с ПНД Ф 16.1.21-98 [Методика выполнения измерений массовой концентрации нефтепродуктов в пробах вод методом колоночной хроматографии с гравиметрическим окончанием. ПНД Ф 14.1:2.116-97].

Как видно из таблицы 2 биологическая добавка активно эмульгировала и удаляла нефтяное загрязнение с поверхности щебня. Спустя 15 минут и 1 час экспозиции щебня консорциумом в биомассе содержание НП составило 0.8 г/дм³, а через 36 часов в биомассу эмульгировалось НП на 2.25 раза больше.

Таблица 3 показывает снижение содержания нефтепродуктов на щебне в сравнении с контролем. Причем, время экспозиции не оказало влияния на очистку отхода щебневого балласта. Эффективность очистки загрязненного щебня с помощью биологических добавок составляет 97 – 99 %. Время эмульгирования загрязнителей в биомассу консорциума можно сократить до 15 минут.

Таблица 2

Содержание нефтепродуктов в жидкой пробе, отобранной из ротора после внесения препаратов

Таблица 3

Содержание нефтепродуктов на щебне до и после экспозиции

в консорциуме, г/кг

Пример 2.

Проводили эксперимент на возможность использования биомассы консорциума носителе в повторах.

Консорциум на носителе замочили в 5 дм³ воды на сутки для активизации микроорганизмов и получения суспензии. В ротор вносили 5 кг щебня и 5 дм³ суспензии. Перемешивали в течение 15 мин, затем извлекали щебень, запускали новую партию щебня (5 кг), перед внесением новой партии щебня из жидкой фазы троекратно отбирали суспензию для определения нефтепродуктов. В каждой партии щебня анализировали содержание нефтепродуктов.

Суспензию упаривали, высушивали при 100 ̊С в течение 5-8 часов, измеряли массу нефтепродуктов в 1 г воздушно-сухого образца (в.с.о.) (табл.4).

Результаты исследований показывают, что биомассу консорциума на носителе для очистки отхода щебневого балласта можно использовать неоднократно с учетом контроля измерения содержания нефтепродуктов (табл.4). Содержание нефтепродуктов в отходах щебневого балласта после суспензии значительно снижается по сравнению с загрязненным и необработанным щебнем – 196.7 мг/г (табл.5).

Таблица 4

Содержание нефтепродуктов в сухом остатке, мг/г в.с.о.

Таблица 5

Содержание нефтепродуктов в отходах щебневого балласта, мг/г

Пример 3.

Проводили эксперимент на нефтедеструкцию в биомассе консорциума на носителе после эмульгирования загрязнений с отхода щебневого балласта. Биомассу, полученную после очистки шести партий щебня (Пример 2) с контрольным содержанием нефтепродуктов – 215.6 мг/1г воздушно-сухого образца, разделили и поместили в 4 емкости. Проводили аэрирование биомассы в течении 1 недели. В конце эксперимента определяли в образцах содержание нефтепродуктов (табл.6).

Таблица 6

Содержание нефтепродуктов до и после аэрации мг/г в.с.о.

Среднее содержание нефтепродуктов после аэрации 28.4 мг/г в.с.о. Эффективность деструкции углеводородов нефти в биомассе консорциума составляет 86.8 %, что указывает на активную работу микроорганизмов. Таким образом, отработанная биомасса не представляет собой вторичный отход.

Пример 4.

Проводили эксперимент на влияние отхода щебневого балласта неочищенного и очищенного биомассой консорциума на почву. В эксперименте отход щебневого балласта, после экспозиции и перемешивании в биомассе консорциума на носителе в роторе, помещали на почву. Спустя 12 месяцев в почве под щебневым балластом определяли содержание нефтепродуктов. Контролем служила почва, отобранная до экспериментов и почва, на которую был помещен загрязненный щебневый балласт.

Таблица 7

Содержание нефтепродуктов в почве под щебневым балластом, мг/г

Как видно из таблицы 7 влияние на почву загрязнителей щебневого балласта после экспозиции в суспензии консорциума на носителе уменьшается на 92%.