WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

 

На правах рукописи

ФЕДОРОВА ЮЛИЯ АЛЬБЕРТОВНА

Разработка способа рекультивации нефтезасоленных грунтов

Специальность 03.02.08 – «Экология» (в химии и нефтехимии)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Уфа  2012

Работа выполнена на кафедре «Прикладная экология» ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет».

Научный руководитель 

доктор технических наук, профессор Ягафарова Гузель Габдулловна.

Официальные оппоненты: 

Минигазимов Наил Султанович

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Башкирский государственный аграрный университет», профессор кафедры «Природообустройство, строительство и гидравлика»;

Сироткин Александр Семенович

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет», заведующий кафедрой «Промышленная биотехнология».

Ведущая организация

ГУП «Институт нефтехимпереработки РБ».

Защита состоится «16» октября 2012 года в 12.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.289.03 при ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» по адресу: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного нефтяного технического университета.

Автореферат разослан « 15 » сентября 2012 года.

Ученый секретарь диссертационного совета                                Абдульминев К.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Предприятия нефтехимической промышленности являются одним из источников образования и накопления в окружающей среде нефтезасоленных грунтов. Токсичные компоненты, входящие в состав загрязненных грунтов, такие как нефть и нефтепродукты, а также значительное содержание минеральных солей оказывают негативное воздействие на местные биоценозы, приводя к деградации и выводу из сельскохозяйственного оборота значительных территорий.

В настоящее время проблема рекультивации нефтезасоленных грунтов полностью не решена. Существующие методы рекультивации, такие как механические, физико-химические и биологические, не обеспечивают в полной мере эффективной очистки загрязненного грунта. В связи с этим разработка комплексного способа рекультивации нефтезасоленных грунтов остается актуальной.

Цель работы разработка способа рекультивации нефтезасоленных грунтов.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

-  исследование микробиоценоза нефтезасоленного грунта;

- исследование и подбор оптимального состава питательной среды для активации и наработки аборигенных галофильных нефтеокисляющих микроорганизмов;

-  подбор эффективного биостимулятора роста аборигенных галофильных нефтеокисляющих микроорганизмов;

- разработка математической модели, описывающей процесс биодеструкции нефти консорциумом аборигенных галофильных нефтеокисляющих микроорганизмов в нефтезасоленном грунте;

-  разработка нового биосорбента с иммобилизованными на его поверхности аборигенными галофильными нефтеокисляющими микроорганизмами и исследование его сорбционных свойств;

- разработка принципиальной технологической схемы производства биосорбента;

- подбор солетолерантных растений для проведения фиторемедиации нефтезасоленного грунта;

- расчет предотвращенного экологического ущерба от рекультивации 1 га загрязненной земли.

Научная новизна

  1. Установлено наличие в нефтезасоленном грунте некоторых типичных галофильных микроорганизмов из рода Arthrobacter, Bacillus и микромицета Fusarium.
  2. Разработан способ активации и наработки аборигенных галофильных нефтеокисляющих микроорганизмов в подобранной питательной среде следующего состава, г/л дистиллированной воды: КNO3 – 2,0, K2HPO4 – 1,0, MnSO4 – 0,013, MgSO4·7H2O – 0,5, ZnSO4 – 0,002, Fe2(SO4)3 – 0,001, NaCl – 30, водный органический экстракт, выделенный из избыточного активного ила, – 0,5 (а.с.в.), гексадекан – 10.
  3. Определены основные сорбционные показатели разработанного биосорбента на основе опилок лиственных пород деревьев с иммобилизованными на их поверхности аборигенными галофильными нефтеокисляющими микроорганизмами, обработанного биостимулятором – водным органическим экстрактом, выделенным из избыточного активного ила биологических очистных сооружений нефтехимических предприятий, гидрофобизированного жидким парафином (гексадеканом). Установлено, что обработка гексадеканом позволяет повысить показатели нефтеемкости и влагоемкости в 1,5 раза.
  4. Определены наиболее эффективные для фиторемедиации нефтезасоленных грунтов солеустойчивые растения: амарант хвостатый (Amaranthus caudatus l.), люцерна посевная (Medicago sativa l.), пырей ползучий (Elytrigia repens), взятые в соотношении 1:1:1.

Практическая значимость

  1. Разработан биосорбент на основе опилок лиственных пород деревьев с иммобилизованными на их поверхности аборигенными галофильными нефтеокисляющими микроорганизмами, обработанный биостимулятором – водным органическим экстрактом, выделенным из избыточного активного ила биологических очистных сооружений нефтехимических предприятий, гидрофобизированный жидким парафином – гексадеканом. Разработана принципиальная технологическая схема производства биосорбента.
  2. Разработан комплексный способ рекультивации нефтезасоленных грунтов, включающий внесение гипса в количестве 50 г/м2, промывку пресной водой из расчета 20–25 л/м2, обработку биосорбентом – 25–30 г/м2, посев подобранных в соотношении 1:1:1 растений-галофитов: амарант хвостатый (Amaranthus caudatus l.), люцерна посевная (Medicago sativa l.), пырей ползучий (Elytrigia repens) из расчета 2 г/м2.
  3. Эффективность разработанного способа рекультивации подтверждена опытно-промышленными испытаниями, проведенными на территории полигона ООО НПЦ «Приуральская экологическая компания» (карта № 19),  г. Благовещенск, Республика Башкортостан. В результате испытаний установлено, что предлагаемая технология рекультивации позволяет за 120 суток снизить исходную концентрацию минеральных солей на 58 %, нефти и нефтепродуктов более чем на 85 %.
  4. Материалы диссертационной работы используются в курсах лекций по дисциплинам: «Экологическая микробиология», «Экологическая биотехнология» для бакалавров и инженеров по специальности «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов» и «Экология» для бакалавров и инженеров всех специальностей ФГБОУ ВПО УГНТУ.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были представлены на 60, 61, 62-ой научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ (2009, 2010, 2011, Уфа), I Международной конференции молодых ученых «Актуальные проблемы науки и техники» (2009, Уфа), Международной научно-практической конференции «Экология. Риск. Безопасность» (2010, Курган), Всероссийской научной конференции «Экологические проблемы нефтедобычи» (2010, Уфа), VII Всероссийской научно- технической конференции «Современные проблемы экологии» (2011, Тула), III Международной научно-практической конференции молодых ученых, посвященной году химии «Актуальные проблемы науки и техники» (2011, Уфа), Международной научно-технической конференции «Радиоэкология. Новые технологии обеспечения экологической безопасности» (2012, Уфа), 63-ой научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ (2012, Уфа), Международной научно-практической конференции «Нефтегазопереработка-2012» (2012, Уфа), II Всероссийской научно-практической конференции «Практические аспекты нефтепромысловой химии» (2012, Уфа).

Публикации. Основной материал диссертации изложен в 13 публикациях, в том числе в 4 статьях в рецензируемых научных журналах, входящих в перечень  ВАК Минобрнауки РФ, 9 тезисах докладов на российских и международных конференциях, получено положительное решение на выдачу патента РФ по заявке № 2010145195/13 от 03.11.2010 «Способ рекультивации почв, загрязненных минерализованными водами».

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 128 страницах машинописного текста, состоит из введения, трех глав, выводов, списка литературы и приложений, включает 11 таблиц, 9 рисунков. Библиографический список включает 109 наименований, в том числе 23 иностранного источника.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, сформулированы цель, основные задачи исследований и методы их решения, научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе рассмотрено влияние нефти и нефтепродуктов на окружающую среду, приведены современные технологии обезвреживания и рекультивации нефтезагрязненных грунтов. Рассмотрены основные методы рекультивации засоленных грунтов.

Во второй главе приведены характеристики исследуемых объектов, рассмотрены основные методики проведенных исследований.

Измерение массовой концентрации нефти и нефтепродуктов производили методом ИК-спектрометрии в аккредитованной лаборатории по исследованию нефти и нефтепродуктов кафедры технологии нефти и газа ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» (УГНТУ). Определение некоторых культуральных, морфологических и физиолого-биохимических свойств культур проводили по стандартным методикам (Теппер, 2004; Практикум по микробиологии, 2005). Содержание хлорид-ионов определяли путем титрования почвенных вытяжек раствором азотнокислого серебра в соответствии с ГОСТ 26425-85.

Статистическую обработку результатов осуществляли с помощью пакета программы Microsoft Excel 2007.

Третья глава посвящена исследованиям микробиологического состава нефтезасоленного грунта, подбору оптимальной питательной среды и биостимулятора роста для активации галофильных аборигенных нефтеокисляющих микроорганизмов (АНМ).

Проведены исследования по подбору сорбента-носителя для иммобилизации аборигенных галофильных нефтеокисляющих микроорганизмов. Исследованы основные сорбционные характеристики биосорбента. Приводится обоснование использования сорбента для биодеградации нефтяных углеводородов в  нефтезасоленном грунте. Приведено описание принципиальной технологической схемы производства биосорбента.

Исследование микробиоценоза нефтезасоленного грунта

Исследование микробиологического состава проводили на реальных образцах нефтезасоленного грунта. Отбор проб осуществляли согласно ГОСТ 28168-89 «Почвы. Отбор проб» на территории опытного полигона ООО НПЦ «Приуральская экологическая компания» (г. Благовещенск, Республика Башкортостан). Для исследования отбирали пробы грунта с различным исходным содержанием токсичных поллютантов: нефти и нефтепродуктов и хлорид-ионов (таблица 1). Численность гетеротрофных микроорганизмов в исследуемых образцах грунта определяли чашечным методом Коха путем высева на агаризованную питательную среду – мясопептонный агар (МПА). Результаты представлены в таблице 1.

Таблица 1 – Количество гетеротрофных микроорганизмов, растущих на МПА

№ образца

Концентрация поллютанта

Численность микроорганизмов, кл/г абс. сух. почвы

Хлорид-ионы,

г-экв./ кг

Нефть и нефтепродукты, % масс.

Образец 1

6,1

1,6

(9±0,1)·107

Образец 2

12,1

1,8

(2±0,3)·107

Образец 3

18,9

1,7

(6±0,1)·106

Образец 4

25,1

1,3

(4±0,2)·103

Образец 5

31,4

1,5

(5±0,1)·102

контроль*

0,6

-

(1±0,2)·109

контроль* – образец незагрязненной поллютантами почвы

Предварительную идентификацию присутствующих в образцах микроорганизмов осуществляли по некоторым культурально-морфологическим и физиолого-биохимическим признакам, используя «Определитель бактерий Берджи» (1997).

В результате исследований установлено, что состав микробиоценоза нефтезасоленной почвы относительно скудный, отмечено наличие в основном галофильных культур: бактерий из рода Arthrobacter, Bacillus и микромицета Fusarium.

Подбор компонентов питательной среды для активации и наработки галофильных аборигенных нефтеокисляющих микроорганизмов

Как известно, обязательным условием поддержания жизнедеятельности галофильных микроорганизмов является содержание в питательной среде, кроме основных биогенных элементов, хлорид-ионов. Поэтому на следующем этапе был осуществлен подбор и определение оптимальной концентрации хлорид-ионов, обеспечивающих максимальный прирост галофильных нефтеокисляющих микроорганизмов.

В качестве основы для получения питательной среды использовали полную минеральную среду следующего состава, г/л дистиллированной воды: КNO3 – 2,0, К2HPO4 – 1,0, MnSO4 – 0,013, MgSO4·7H2O – 0,5, ZnSO4 – 0,002, Fe2(SO4)3 – 0,001. В качестве источника хлорид-ионов в среду вносили NaCl из расчета 1, 3, 5 и 7 % масс. Источником углерода и энергии служил гексадекан в количестве 1 % масс. В качестве фактора роста микроорганизмов добавляли водный органический экстракт, выделенный из избыточного активного ила в количестве 0,05 % масс. Контролем служили колбы без добавления NaCl.

Нефтезасоленный грунт вносили в питательные среды из расчета 1 % масс. Культивирование проводили при температуре 30° С в течение 7 суток. Прирост численности микроорганизмов определяли спектофотометрическим методом по изменению величины оптической плотности суспензии клеток при длине волны 540 нм.

Результаты исследований представлены на рисунке 1.

Как видно из рисунка 1, максимальные значения оптической плотности суспензии наблюдаются при концентрации NaCl 3 % масс. Дальнейшее увеличение концентрации NaCl (выше 5 % масс.) приводит к снижению роста микроорганизмов.

Рисунок 1 – Динамика роста галофильных аборигенных нефтеокисляющих микрорганизмов (АНМ) при различных концентрациях NaCl

Таким образом, оптимальная питательная среда для активации галофильных

аборигенных нефтеокисляющих микроорганизмов имеет следующий состав, г/л дистиллированной воды: КNO3 – 2,0, К2HPO4 – 1,0, MnSO4 – 0,013, MgSO4·7H2O – 0,5, ZnSO4 – 0,002, Fe2(SO4)3 – 0,001, NaCl – 30, водный органический экстракт – 0,5 (а.с.в.), гексадекан – 10.

Исследование процесса биодеструкции нефтяных загрязнений галофильными аборигенными нефтеокислящими микроорганизмами в условиях повышенной минерализации

Исследование процесса биодеструкции нефтяных загрязнений проводили на реальных образцах нефтезасоленного грунта. Среднее содержание токсичных поллютантов в образцах составляло: нефти и нефтепродуктов – 3,1 % масс., хлорид-ионов – 26,1 г-экв./кг.

Для исследований использовали суспензию солеустойчивых аборигенных нефтеокисляющих микроорганизмов (АНМ) с титром клеток 109 кл/мл, наработку которой осуществляли в подобранный питательной среде. Дополнительно, для сравнения, исследовали процесс биодеградации углеводородов известными штаммами нефтеокисляющих микроорганизмов, в качестве которых использовали  монокультуру Rh. erythropolis AC 1339 Д, а также консорциум микроорганизмов Rh. erythropolis AC 1339 Д, B. subtilis ВКМ 1742 Д и Fusarium species №56, взятых в соотношении 1:1:1. Исследование проводили при комнатной температуре в течение 40 суток. Контролем служили емкости с почвой без внесения микроорганизмов. Результаты исследования представлены на рисунке 2.

Как видно из рисунка 2, консорциум аборигенных галофиль-ных микроорганизмов-нефтедеструкторов обладает высокой деструктирующей актив-ностью в отношении нефти и нефтепродуктов, при этом степень биодеструкции нефти и нефтепродуктов при

* Консорциум: Rh. erythropolis AC–1339Д,  B. subtilis BKM B-1742 Д,  Fusarium sp. №56

Рисунок 2 – Степень биодеструкции нефти и нефтепродуктов

использовании АНМ в среднем на 10–15 % превышает аналогичные показатели известных штаммов нефтеокисляющих микроорганизмов даже в условиях повышенной минерализации, в частности при избытке в почве хлорид-ионов (более 26 г-экв./кг).

Подбор биостимулятора роста солеустойчивых нефтеокисляющих микроорганизмов

Как показывает мировой опыт, значительно повысить деструкцию нефтяных загрязнений, в том числе в экстремальных условиях повышенной минерализации, можно путем добавления биостимуляторов. Однако, несмотря на большое разнообразие существующих биостимуляторов, большинство из них не нашло широкого распространения вследствие их дороговизны и низкой эффективности.

Известно, что гуминовые вещества являются источником основных биогенных питательных элементов, а также обладают биостимулирующим и детоксицирующим действиями.

Следующим этапом исследований являлся поиск и подбор эффективных и недорогих гуминосодержащих биостимуляторов. С этой целью в качестве биостимулятора исследовали: углещелочной реагент (УЩР) гумата натрия, избыточный ил биологических очистных сооружений, а также водный органический экстракт, выделенный из избыточного ила, представляющий собой концентрат гуминовых веществ и других биогенных макро- и микроэлементов.

Для проведения исследований готовили модельные образцы нефтезасоленной почвы с содержанием NaCl – 1, 3, 5, 7 % масс (6,06; 18,18; 30,30; 42,42 г-экв./кг по Cl-), содержание нефти и нефтепродуктов во всех образцах составляло 1 % масс. Суспензию солеустойчивых аборигенных нефтеокисляющих микроорганизмов вносили из расчета 3 % об. Биостимуляторы вносили из расчета 0,05 % масс. Контролем служили емкости с почвой без внесения микроорганизмов и биостимуляторов. Культивирование проводили при комнатной температуре в течение 40 суток.

Об эффективности биостимуляторов судили по убыли нефти, а также косвенно по приросту численности гетеротрофных микроорганизмов, растущих на МПА. Результаты исследования представлены на рисунке 3.

Как видно из рисунка 3, за 40 суток культивирования наибольшей стимулирующей способностью обладает водный органический экстракт, выделенный из избыточного ила.

Рисунок 3 – Влияние биостимуляторов на степень биодеструкции нефти и нефтепродуктов

Степень биодеструкции нефти и

нефтепродуктов в образцах с водным органическим экстрактом в среднем на  11–13 % выше по сравнению с другими биостимуляторами. На протяжении всего эксперимента наблюдался прирост численности гетеротрофных микроорганизмов в среднем на два порядка.

Прогнозирование биодеструкции нефти в нефтезасоленном грунте методом математического моделирования

Целью данного этапа была разработка математической модели, описывающей процесс биодеструкции нефти и нефтепродуктов суспензией аборигенных галофильных микроорганизмов в нефтезасоленном грунте.

В качестве входных параметров для построения математической модели процесса использовали концентрацию NaCl (z1), концентрацию нефти и нефтепродуктов (z2), дозу внесения водного органического экстракта (z3) и температуру (z4). В качестве выходного параметра (у) использовали степень биодеструкции нефти и нефтепродуктов.

Построение зависимости интенсивности процесса биодеструкции нефти и нефтепродуктов от нескольких факторов производили с применением полного факторного эксперимента (ПФЭ), ограничившись для упрощения задачи оптимизации линейной моделью. В соответствии с ПФЭ-24 готовили 16 образцов, в которых исчерпаны все возможные комбинации изучаемых факторов на двух уровнях. Расчеты производили с помощью Microsoft Office Excel. После исключения незначимых коэффициентов получили уравнение регрессии:

Адекватность полученного уравнения оценивали согласно критерию Фишера F < Fтаб (f1 f2). При этом расчетное значение критерия Фишера . Табулированное значение критерия Фишера, в соответствии со справочной литературой, при уровне значимости р = 0,05 и числах степеней свободы  f1 = 4 и f2 = 2 равно Fтаб (f1 f2) = 19,25,  0,90 < 19.25.  Следовательно,

полученное уравнение регрессии адекватно описывает эксперимент.

Опытные и расчетные значения степени биодеструкции нефти и нефтепродуктов представлены в таблице 2.

Таблица 2 – Опытные и расчетные значения степени биодеструкции нефти и нефтепродуктов

Урасч.,%

58,22

36,99

36,77

22,86

63,18

37,52

39,29

25,69

86,36

53,38

59,28

33,61

91,53

58,24

57,47

36,25

Уоп., %

58,38

37,20

37,02

23,13

63,65

36,70

39,57

25,21

85,82

53,61

58,97

34,00

91,74

58,45

58,18

36,34

Таким образом, была подтверждена возможность использования разработанной модели для прогнозирования процесса биодеструкции нефти консорциумом аборигенных галофильных нефтеокисляющих микроорганизмов в нефтезасоленном грунте при содержании NaCl от 1 до 5 % масс., концентрации нефти от 0,5 до 5 % масс., дозах внесения водного органического экстракта от 0,01 до 0,05 % масс., температуре от 10 до 30° С.

Получение биосорбента для очистки почвы от нефтяных загрязнений

Следующим этапом работы являлся подбор сорбента-носителя, на поверхности которого могут быть иммобилизованы аборигенные галофильные нефтеокисляющие микроорганизмы.

С целью определения оптимального сорбента-носителя иммобилизованных клеток микроорганизмов были исследованы сорбенты растительного происхождения: торф, лузга подсолнечника, соломенная сечка, опилки лиственных пород деревьев. Сорбенты оценивали по основным физико-механическим (структурообразующим) и сорбционным характеристикам, а также по способности сорбента удерживать в своих порах клетки микроорганизмов.

Для оценки эффективности иммобилизации определяли количество микроорганизмов, закрепленных на поверхности предлагаемых сорбентов-носителей, путем смыва по известной методике. Результаты представлены в таблице 3.

Таблица 3 – Количество галофильных АНМ, иммобилизованных на сорбентах-носителях

Сорбент

Количество галофильных АНМ, кл/г

Торф

(7±0,1)·106

Лузга подсолнечника

(4±0,3)·107

Соломенная сечка

(1±0,5)·107

Опилки лиственных пород деревьев

(6±0,6)·107

Из полученных результатов установлено, что аборигенные галофильные нефтеокисляющие микроорганизмы иммобилизуются на всех исследуемых сорбентах, но в большей степени на древесных опилках ввиду их высокоразвитой удельной поверхности. При этом количество прикрепленных микроорганизмов составляет (6±0,6)·107 кл/г.

В качестве основных критериев для оценки структурообразующих и сорбционных свойств сорбентов использовали следующие показатели: насыпная плотность, нефтеемкость и влагоемкость (таблица 4).

Таблица 4 – Физико-механические и сорбционные характеристики сорбента-носителя

Сорбент

Насыпная плотность, т/м3

Нефтеемкость, кг/кг (кг/м3)

Влагоемкость, кг/кг

Торф

0,180

3,35 (0,502)

24,3

Лузга подсолнечника

0,110

5,98 (0,714)

4,68

Соломенная сечка

0,130

5,46 (0,709)

4,3

Опилки лиственных пород деревьев

0,200

3,51 (0,719)

4,45

Учитывая оптимальные соотношение нефтеемкости и насыпной плотности, а также доступность сырья для получения сорбента, для дальнейших исследований в качестве сорбента-носителя микроорганизмов были взяты опилки лиственных пород деревьев.

Для обеспечения аборигенных галофильных нефтеокисляющих микроорганизмов питательными веществами предложено предварительно обрабатывать древесные опилки водным органическим экстрактом, выделенным из избыточного активного ила нефтехимических предприятий.

Для определения оптимальной дозы внесения экстракта использовали опилки лиственных пород деревьев с крупностью фракций 2–5 мм. Насыщение опилок водным органическим экстрактом (содержание сухого вещества 150 г/л) осуществляли в мешалке с частотой вращений 150 об/мин в течение 15 мин.

Эффективность обработки оценивали по приросту численности гетеротрофных микроорганизмов, иммобилизованных на носитель. Результаты исследования представлены в таблице 5.

Таблица 5 – Микробиологические характеристики получаемых сорбентов

Доза внесения экстракта, мл/г опилок

Численность иммобилизованной микрофлоры, кл/г

0,1

(7±0,2)·107

0,3

(1±0,1)·108

0,4

(2±0,1)·108

0,5

(2±0,5)·109

0,7

(4±0,3)·107

контроль

(6±0,6)·107

Как видно из таблицы 5, дозы внесения экстракта с 0,1 до 0,5 мл/ (г опилок) способствует увеличению численности гетеротрофных микроорганизмов, иммобилизованных на носитель.

Дальнейшим этапом исследований было проведение высушивания в течение 2 часов полученного сорбента при наиболее оптимальной для микроорганизмов температуре – 35–40° С. Для повышения сорбционных характеристик полученного биосорбента осуществляли обработку опилок гидрофобизующими реагентами. В качестве гидрофобизатора использовали  гексадекан. Гидрофобизацию носителя с иммобилизованной микрофлорой осуществляли из расчета 15 г/кг. Полученные образцы оценивали по соответствующим сорбционным характеристикам. Результаты представлены в таблице 6.

Таблица 6 – Сорбционные характеристики сорбента

Образцы

Нефтеемкость, кг/кг

Влагоемкость, кг/кг

1

опилки сухие

3,51

4,45

2

опилки+орг.экстракт+галофильные АНМ

2,50

6,80

3

опилки по пп.2 + терм. обработка

3,42

4,51

4

опилки по пп.3 + гексадекан

4,34

2,05

Как видно из таблицы 6, высушивание сорбента при температуре 35–40° С способствует повышению нефтеемкости, а также снижению влагоемкости до 4,51 кг/кг. Дополнительная обработка носителя парафинами способствует значительному улучшению сорбционных характеристик (нефтеемкость – 4,34 кг/кг,  влагоемкость – 2,05 кг/кг).

Исследование процесса биодеструкции нефти и нефтепродуктов в нефтезасоленном грунте

Для проведения исследований в почве готовили серии чашек с модельными образцами нефтезасоленного грунта с различным содержанием нефти (1, 3, 5 % масс.) и NaCl – 1, 3, 5, 7 % масс (6,06; 18,18; 30,30; 42,42 г-экв./кг по Cl-). В чашки вносили полученный биосорбент из расчета 3 % масс. Культивирование проводили при комнатной температуре в течение 40 суток. Результаты исследования представлены на рисунке 5.

Как видно из рисунка 5, предлагаемый биосорбент позволяет значительно повысить степень биодеструкции нефтяных загрязнений. При этом наибольшая степень биодеструкции

Рисунок 5 – Степень биодеструкции нефти за 40

суток культивирования

наблюдается в образцах с концентрацией хлорид -

-ионов 1 % масс. и составляет 91,5, 85,4, 61,3 % при исходном содержании нефти 1, 3, 5 % масс. соответственно.

Принципиальная технологическая схема производства биосорбента

На основании результатов проведенных исследований разработана принципиальная технологическая схема производства биосорбента на основе опилок лиственных пород деревьев (рисунок 6).

Водный органический экстракт из емкости Е-3 и древесные опилки влажностью 75–80 % из емкости Е-2 вносят в аппарат М-1, где происходит перемешивание в течение 15–20 минут. Далее насыщенные экстрактом опилки самотеком поступают в мешалку М-2, куда также подается наработанная в ферментере ПФ суспензия солеустойчивых аборигенных нефтеокисляющих микроорганизмов. В течение 1–2 часов происходит интенсивное перемешивание, в процессе которого микроорганизмы иммобилизуются на поверхности опилок. Опилки с иммобилизованной микрофлорой с помощью насоса Н-2 поступают в вибрационную сушилку ВС-1, где происходит высушивание сорбента воздухом, нагреваемым калорифером КЛ-1 при температуре, не превышающей 40о С.

На ленточном транспортере ЛТ биосорбент с влажностью 15–25 % путем распыления обрабатывается жидкими парафинами в течение 10–15 мин. В качестве

Е-1 – емкость для компонентов питательной среды, ЛФ – лабораторный ферментер, ПФ – промышленный ферментер,

Т – теплообменник, Е-2 – емкость для опилок, Е-3 – емкость для водного органического экстракта,

М- 1, М-2 – перемешивающий аппарат, ЛТ – ленточный транспортер, Е-4 – емкость для гексадекана, ВС-1, ВС-2 – вибрационная сушилка, Н-1, Н-2 – насос, КЛ-1, КЛ-2 – калорифер, ГД-1, ГД-2 – газодувка

Рисунок 6 – Принципиальная технологическая схема производства биосорбента

жидких парафинов используют гексадекан. Гидрофобизированный биосорбент подсушивается при температуре 35о С в вибрационной сушилке ВС-2 и далее поступает к потребителю.

Исследование процесса рекультивации нефтезасоленных грунтов

С целью повышения плодородия в природные засоленные почвы вносят гипс с последующей интенсивной промывкой водой и засевом солеустойчивыми растениями. На основе экспериментальных данных установлено, что оптимальная доза внесения гипса составляет 0,5–1 т/га (50–100 г/м2), объем промывной воды рассчитывается в зависимости от содержания солей в грунте и в среднем составляет 20–25 л/м2.

Подбор солеустойчивых растений для процесса рекультивации нефтезасоленных грунтов

Дальнейшим этапом исследований являлся подбор солеустойчивых растений с целью последующего их использования для фиторекультивации нефтезасоленных грунтов.

Для исследований использовали солеустойчивые растения, которые являются представителями местных биоценозов. Наиболее устойчивыми оказались амарант хвостатый, люцерна посевная, пырей ползучий, донник желтый, которые отличаются высокой всхожестью, скоростью роста и продуктивностью фитомассы (рисунок 7).

На основании полученных данных дальнейшие исследования проводили с наиболее эффективными соле-устойчивыми растениями: амарант хвостатый (Amaranthus caudatus l.), люцерна посевная

Рисунок 7 – Прирост фитомассы растений-галофитов

(Medicago sativa l.), пырей

ползучий (Elytrigia repens), взятыми в соотношении 1:1:1.

Разработка способа рекультивации нефтезасоленных грунтов

Предлагаемый способ рекультивации нефтезасоленных грунтов включает следующее. Первоначально на загрязненном участке под уклоном на глубину  20–30 см делают борозды на расстоянии 30–40 см друг от друга, на которые укладываются гидроизоляционный материал. Поверх гидроизоляции прокладывают перфорированные трубы диаметром 0,1 м (отверстия диаметром 5 мм, шаг отверстий 40–50 мм), обеспечивающие отвод промывной воды в общую дренажную емкость. Для предотвращения инфильтрации почвы в дренажную систему на трубы укладывается слой песка.

С целью устранения щелочности и снижения избыточной концентрации подвижных ионов натрия в загрязненный грунт вносят гипс из расчета 50–100 г/м2. Обработку водой производят из расчета 20–25 л/м2. После промывки производят обработку почвы биосорбентом на основе опилок лиственных пород деревьев в количестве 25–30 г/м2. Применение данного сорбента позволяет повысить структурообразующие свойства загрязненного грунта, а также значительно уменьшить транспортные расходы. На заключительной стадии производят засев подобранной смеси солеустойчивых растений: амарант хвостатый (Amaranthus caudatus l.), люцерна посевная (Medicago sativa l.), пырей ползучий (Elytrigia repens), взятых в соотношении 1:1:1.

Расчет предотвращенного экологического ущерба

Проведен расчет предотвращенного экологического ущерба и экологической оценки величины ущерба от деградации 1 га загряненных земель. Величина ущерба составит более 336 тыс. руб./год

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

  1. Проведены исследования микробиоценоза нефтезасоленного грунта. В результате исследований установлено, что состав микробиоценоза нефтезасоленной почвы относительно скудный, отмечено наличие в основном солеустойчивых галофильных культур: бактерий из рода Arthrobacter, Bacillus и микромицета Fusarium.
  2. Проведены исследования по подбору оптимальной питательной среды для активации и наработки аборигенных галофильных нефтеокисляющих микроорганизмов из нефтезасоленного грунта. Установлено, что наибольший прирост численности микроорганизмов отмечается на питательной среде следующего состава, г/л дистиллированной воды: KNO3 – 2,0, К2HPO4 – 1,0, MnSO4 – 0,013, MgSO4·7H2O – 0,5, ZnSO4 – 0,002, Fe2(SO4)3 – 0,001, NaCl – 30, водный органический экстракт, выделенный из избыточного активного ила, – 0,5 (а.с.в.), гексадекан – 10.
  3. Проведены исследования по подбору биостимулятора роста аборигенных галофильных нефтеокисляющих микроорганизмов. Установлено, что наибольшей стимулирующей способностью обладает водный органический экстракт, выделенный из избыточного ила биологических очистных сооружений нефтехимических предприятий. При этом степень биодеструкции нефти и нефтепродуктов в образцах с экстрактом в среднем на 11-13 % выше по сравнению с известными биостимуляторами.
  4. Методом математического моделирования спрогнозирован процесс биодеструкции нефти консорциумом аборигенных галофильных нефтеокисляющих микроорганизмов в техногеннозасоленном грунте при содержании  NaCl от 1 до 5 % масс., концентрации нефти от 0,5 до 5 % масс., дозах внесения водного органического экстракта от 0,01 до 0,05 % масс., температуре от 10 до 30° С. На основании полученного уравнения регрессии было установлено, что наибольшее влияние на степень биодеструкции оказывают содержание хлорида натрия и нефти в загрязненной почве, а также температура окружающей среды в указанных пределах.
  5. Для повышения эффективности биоремедиации нефтезасоленных грунтов предложен биосорбент на основе древесных опилок с иммобилизованными нефтеокисляющими микроорганизмами, обработанный водным органическим экстрактом из расчета 0,5 мл/ (г опилок) и гидрофобизированный гексадеканом из расчета 15 г/кг.
  6. Разработана принципиальная технологическая схема производства биосорбента на основе древесных опилок с иммобилизованными на их поверхности аборигенными галофильными нефтеокисляющими микроорганизмами.
  7. Предложены солетолерантные растения для фиторемедиации: амарант хвостатый (Amaranthus caudatus l.), люцерна посевная (Medicago sativa l.), пырей ползучий (Elytrigia repens), взятые в соотношении 1:1:1.
  8. Произведен расчет по определению предотвращенного экологического ущерба от рекультивации 1 га загрязненной земли, который составил более 336 тыс. руб./год

Содержание работы изложено в следующих публикациях:

  1. Федорова Ю.А. Активация аборигенных нефтеокисляющих микроорганизмов / Ю.А. Федорова, Г.Г. Ягафарова, С.В. Леонтьева, А.Х. Сафаров, И.Р. Ягафаров, С.М. Лавренчук // Экология. Риск. Безопасность: материалы Международной науч.-практич. конференции (20–21 октября 2010 г.). – Курган, 2010. – С. 117–118.
  2. Ягафарова Г.Г. Полигон для утилизации нефтесодержащих отходов / Г.Г. Ягафарова, Ю.А. Федорова, А.Х. Сафаров, А.В. Московец // Безопасность в техносфере.– 2010. – № 3. – С. 45–47.
  3. Федорова Ю.А. Аборигенные нефтеокисляющие микроорганизмы / Ю.А. Федорова, С.М. Лавренчук, Г.Г. Ягафарова // Экологические проблемы нефтедобычи: сб. трудов Всероссийской научной конференции (22–25 ноября 2010; Уфа). – Уфа: Изд-во Нефтегазовое дело, 2010. – С. 14–15.
  4. Даутова Е.С. О перспективе применения аборигенных нефтеокисляющих микроорганизмов / Е.С. Даутова, Ю.А. Федорова // 62-я научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых: сб. матер. конф. – Кн. 2. – Уфа: Изд-во УГНТУ, 2011. – С. 102.
  5. Ягафарова Г.Г. Повышение эффективности биоочистки нефтезагрязненных грунтов / Г.Г. Ягафарова, Л.Р. Акчурина, Ю.А. Федорова, И.Р. Ягафаров // Dynamika  naukowych bada: Matriay  VII Midzynarodowej naukowi-praktycznej  konferencji  (07–15 lipca  2011 roku). – Przemyl  (Польша),  2011. – С. 34–35.
  6. Федорова Ю.А. Повышение эффективности рекультивации нефтезагрязненных земель / Ю.А. Федорова, Л.Р. Акчурина, А.Х. Сафаров // Актуальные проблемы науки и техники. Сборник научных трудов  III Международной научно-практической конференции молодых ученых, посвященной году химии.– Уфа: Нефтегазовое дело, 2011. – С. 51–52. 
  7. Ягафарова Г.Г. Прогнозирование процесса биодеструкции нефтяных загрязнений методом математического моделирования / Г.Г. Ягафарова, Л.Р. Акчурина, Ю.А. Федорова, А.В. Московец, И.Р. Ягафаров // Теория и практика массообменных процессов химической технологии (Марушкинские чтения): Материалы IV Всероссийской научной конференции (17–20 октября 2011г.). – Уфа: Изд-во УГНТУ, 2011. – С. 183–184.
  8. Федорова Ю.А. Прогнозирование биодеструкции нефти в процессе рекультивации техногеннозасоленных почв / Ю.А. Федорова, Л.Р. Акчурина, Е.Г. Ильина, А.Х. Сафаров, Г.Г. Ягафарова // Нефтегазовое дело. – 2011. – том 9, № 3. – С. 93–95.
  9. Федорова Ю.А. Фитомелиорация техногеннозасоленных почв / Ю.А. Федорова, Л.Р. Акчурина, А.Х. Сафаров, А. В. Московец, И.Р. Ягафаров, Г.Г. Ягафарова // Химические реактивы, реагенты и процессы малотоннажной химии: Материалы XXV Юбилейной Международной научно-технической конференции «Реактив-2011». – Уфа: Изд-во «Реактив», 2011. – С. 199–200.
  10. Ягафарова Г.Г. Повышение эффективности рекультивации нефтезагрязненных грунтов /Г.Г. Ягафарова, Л.Р. Акчурина, Ю.А. Федорова, И.Р. Ягафаров, А.Х. Сафаров // Башкирский химический журнал.– 2011.– Том 18. – № 2. – С. 72–74.
  11. Федорова Ю.А. Сравнительная характеристика биотрансформации нефти и нефтепродуктов некоторыми биопрепаратами /Ю.А. Федорова, Л.Р. Акчурина, Г.Г. Ягафарова, С.М. Лавренчук // Современные проблемы экологии: материалы VII Всероссийской научно- технической конференции / (2011, Тула). – Тула: Изд-во Инновационные технологии, 2011. – С. 55–56.
  12. Ягафарова Г.Г. Новый сорбент для очистки воды от нефтяных загрязнений / Г.Г. Ягафарова, Л.Р. Акчурина, Ю.А. Федорова, И.Р. Ягафаров // Экология и промышленность России. – 2011. – № 12. – С. 34–35.
  13. Федорова Ю.А. Сорбент для очистки водной поверхности / Ю.А. Федорова, Л.Р. Акчурина, Л.Ф. Исламова, Г.Г. Ягафарова // Состояние природной среды Полесья и сопредельных территорий: сборник материалов Международной науч.-практич. конф. студентов, магистрантов и аспирантов, Брест, 23–24 марта 2012 г. / Брест. гос. ун-т имени А.С. Пушкина. – Брест: БрГУ, 2012. – С. 140–142.



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.