Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Биокомпостирование нефтезагрязненных торфогрунтов

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Биокомпостирование нефтезагрязненных торфогрунтов"

005008958

На правах рукописи

3АБОРСКАЯ АННА ЮРЬЕВНА

БИОКОМПОСТИРОВАНИЕ НЕФТЕЗАГРЯШЕННЫХ ТОРФОГРУНТОВ

Специальность 03.02.08 - Экология (в химии и нефтехимии), 03.01.06 - Биотехнология (в том числе бионанотехнологии)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 013 20(2

Москва 2012

005008958

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет инженерной экологии» (ФГБОУ ВПО «МГУИЭ»).

Научные руководители: доктор технических наук,

профессор

КРАММ Эдуард Александрович

кандидат биологических наук, доцент

КУСТОВА Надежда Алексеевна

Официальные оппоненты: доктор биологических наук

ЯНКЕВИЧ Марина Ивановна

кандидат технических наук ЩЕБЛЫКИН Игорь Николаевич

Ведущая организация: Открытое акционерное общество

«ГосНИИсинтезбелок»

Защита состоится «29» февраля 2012 г. в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 212.145.03 при Московском государственном университете инженерной экологии (ФГБОУ ВПО «МГУИЭ») по адресу: 105066, Москва, ул. Старая Басманная, 21/4, аудитория имени Л.А. Костандова (Л-207).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета инженерной экологии (ФГБОУ ВПО «МГУИЭ»),

Автореферат разослан «26» января 2012 г.

Ученый секретарь р гРл^

диссертационного совета, к.т.н. ГридневаЕ.С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы:

Почва в первую очередь страдает от загрязнения нефтью и нефтепродуктами. Такое загрязнение ведет к нарушению биоценозов и снижению их видового разнообразия. Биологический способ ремедиации нефтезагрязненных почв имеет ряд преимуществ и является наиболее перспективным.

Негативное действие нефти связано с непосредственным токсическим действием, а также с изменением физических свойств почвы (ухудшается доступ кислорода и влаги) вследствие чего снижается ее плодородие.

Восстановление плодородия почвы после воздействия нефтепродуктов в естественных условиях длится десятки лет, а глубинные загрязнения могут сохраняться сотни лет.

При использовании биореакторов для ремедиации нефтезагрязненных почв можно достичь высоких скоростей деструкции за счет обеспечения благоприятных условий развития культуры и доминирования микроорганизмов-деструкторов.

Перспективным считается биологический путь восстановления загрязненных почв. Существуют природные микроорганизмы, которые потребляют нефтепродукты в качестве источника углерода, окисляют токсичные соединения, преобразуя их в гумус. Цель работы:

разработка технологии биологической очистки нефтезагрязненных почв в статическом и динамическом режимах. Научная новизна:

Впервые исследована кинетика биологического окисления углеводородов в почве в динамических условиях, сопряженная с исследованием затрат энергии.

Разработка инженерно-экономических аспектов ремедиации нефтезагрязненных почв. Защищаемые положения:

- Использование лабораторного биореатора для исследования процесса биокомпостирования почв, загрязненных углеводородами в динамических условиях, а также измерения затрачиваемой на аэрацию энергии.

- Результаты исследований кинетики потребления углеводородов в почве при биокомпостировании нефтезагрязненных почв в условиях искусственной аэрации.

- Разработана методика определения экономической целесообразности процесса биоремедиации нефтезагрязненных почв.

1

Практическая значимость:

Экономически обоснован метод очистки нефтезагрязненных почв с использованием механического воздействия.

Предложена методика комплексной оценки процесса очистки почв, загрязненных углеводородами при помощи показателя затратности ремедиации. Апробация работы:

Результаты работы докладывались на следующих российских и международных конференциях:

VI Международная научно-практическая конференция «Экологические проблемы индустриальных мегаполисов», Москва, 21-24 апреля 2009 г; Московская международная научно-практическая конференция «Биотехнология: экология крупных городов», Москва, 15-17 марта, 2010 г;

VII Международная научно-практическая конференция-выставка «Экологические проблемы индустриальных мегаполисов», Донецк, 26-28 мая 2010; VI Московский международный конгресс «Биотехнология: состояние и перспективы развития», Москва, 21-25 марта, 2011 г; 3-я Международная конференция российского химического общества им. Д. И. Менделеева «Ресурсосберегающие и энергоэффективные технологии в химической и нефтехимической промышленности», Москва, 25 октября 2011 г;, The 8Л International Conference «Environmental engineering», Vilnius, Lituania, May 1920, 2011; Международная конференция Российского химического общества им. Д. И. Менделеева, Москва, 2011; 16-я международная выставка химической промышленности и науки «Химия-2011», Конкурс молодых ученых, 25 октября 2011 г.

Публикации:

По теме диссертационной работы опубликовано 3 печатные работы, в том числе 3 в изданиях, рекомендованных ВАК, и И тезисов докладов. Объем и структура работы:

Диссертация состоит из введения, обзора литературы, методической части, экспериментальной части, выводов и списка литературы. Диссертация изложена на 151 страницах машинописного текста, содержит 6 таблиц и 97 рисунков. Список литературы содержит 115 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отражена актуальность и цель работы.

В первой главе (Современные методы очистки нефтезагрязненных грунтов) приведен анализ существующих способов очистки почвы от нефтезагязнений, анализированы их достоинства и недостатки. Рассмотрены попытки использования биореакторов для очистки нефтезагрязненных почв, проведено сравнение очистки сельскохозяйственными методами и с применением биореакторов. Рассмотрены разработанные в настоящее время устройства и приемы для биологической очистки почвы от нефтезагрязнений, а также конструкции аппаратов, которые, в принципе, могут быть использованы в целях биоремедиации.

Во второй главе (Материалы и методы экспериментальных исследований) описаны методы исследования, использованные при изучении процесса биоокисления углеводородов в почве.

В данном разделе описаны материалы и методы, используемые при исследовании процесса биоокисления углеводородов в динамическом режиме: описано культивирование тест-культуры; метод стерилизации почвы, используемой в экспериментах; метод исследования степени биодеградации нефти в зависимости от влажности почвы; метод исследования влияния структураторов (опилок и торфа) на биодеградацию нефтепродуктов в почве; метод определения концентрации нефтепродуктов в почве; определение гранулометрического состава почвы; определение количества тест-культуры в почве; определение влажности почвы путем доведения до постоянного веса и на приборе марки МА-45 фирмы БаЛопиз; описана установка для изучения скорости потребления углеводородов в зависимости от глубины слоя почвы; оценена погрешность результатов за счет неравномерности распределения нефтепродуков в почве.

Описаны материалы и методы, используемые при исследовании процесса биоокисления углеводородов в динамическом режиме: описана лабораторная установка для очистки нефтезагрязненных почв, метод определения энергии, затрачиваемой на перемешивание нефтезагрязненной почвы; метод расчета показателя затратности ремедиации нефтезагрязненных почв.

Третья глава (Исследование процесса биокомпостирования в условиях естественной аэрации) посвящена изучению процесса биокомпостирования нефтезагрязненных почв в статическом режиме.

На рис. 1 показана зависимость степени биодеградации углеводородов нефти от влажности нефтезагрязненной почвы.

É * »

*t

í £ 20

:0 Í0 40 ?o

Влажиот* вочвьг. •«

60

Было обнаружено, что для почвы с данной структурой оптимальной является влажность от 45 до 50 процентов.

При высокой влажности процесс аэрации почвы ухудшается вследствие заполнения капиллярной структуры почвы влагой. При низкой влажности процесс

Рис. ¡.Зависимость степени биодеградации углеводородов нефти от влажности нефтезагрязненной почвы

биодеградации тормозится, снижением диффузии питательных веществ к микробным клеткам.

Оценено влияние структураторов (опилок, торфа) на биодеградацию нефтепродуктов в почве

Изучение процесса биоремедиации загрязненной почвы проводилось в лабораторных условиях в контейнерах, с навеской почвы 500г. Структураторы вносились при перемешивнии в количестве 50% по объему. Контейнеры термостатировапи при температуре 30°С.

Исследованы различные варианты (рис.2): грунт без добавления структураторов (}); грунт с добавлением торфа (2); грунт с добавлением опилок (3).

В качестве тест культуры использовалась культура микроорганизмов Candida maltosa шт. 569. С внесением нефтеокисляющих культур микроорганизмов (опыт) и без внесения (контроль). Начальная концентрация нефти составляла 5 г/кг. Продолжительность опыта 17 суток.

Нопыг

Рис. 2. Степень снижения концентрации Рис. 3. Степень снижения концентрации углеводородов нефти при использовании углеводородов в нефтезагрязненной почве различных структураторов с различным содержанием опшок

Приведенные данные позволили сделать вывод, что внесение структураторов - торфа и опилок ускоряет биодеградацию углеводородов в почве, так как, будучи разрыхлителями, они увеличивают порозность и тем самым способствуют естественной аэрации почвы.

Из рассмотрения диаграммы на рис.2 можно заключить, что в грунте активно работает автохтонная микрофлора, а некоторое снижение активности вносимой культуры можно объяснить популяционным взаимодействием последней с автохтонными микроорганизмами. Лучшие результаты были получены с добавлением опилок как в опыте с искусственным внесением микроорганизмов, так и в контроле.

Рис. 3 позволяет судить об оптимальном содержании опилок, отвечающем максимальному уровню биоремедиации. Опыт продолжался 23 суток. Начальная концентрация нефти составляла 15 г/кг.

1 - контроль; 2 и 3 - с добавлением У* и 54 опилок по объему без дополнительного внесения микроорганизмов соответственно; 4 и 5 — с добавлением У* и Уг опилок по объему с внесением микроорганизмов.

Из рис.6 следует, что добавление опилок увеличивает степень деградации углеводородов, особенно сильное положительное влияние оказало внесение % части опилок. Это можно объяснить тем, что в почвенных образцах с внесением Ух опилок по объему из-за большей пористости почва быстрее пересыхала. Достаточно добавления У* опилок по объему для активизации процесса биодеградации углеводородов загрязненных почв.

Таким образом, в результате проведенных модельных экспериментов в лабораторных условиях установлено, что внесение структураторов (как торфа, так и опилок) ускоряют процесс биоремедиации нефти в почве. Из выбранных стуктураторов, лучшие результаты получены в опыте с внесением опилок. Внесение 25% опилок по объему достаточно для ускорения процесса биоремедиации почвы в 2 раза.

Изучен процесс биокомпостирования искусственно загрязненных торфогрунтов.

Торфогрунт стерилизовали в течение часа при температуре 121° С дважды с интервалом в 24 часа (термообработанная почва). Почва искусственно загрязнялась парафинами См-Сп и нефтью МНПЗ.

Эксперименты проводили в контейнерах, в которые помещали навеску массой 500г. Контейнеры термостатировали при 30 °С.

Для опытов по влиянию начальной концентрации углеводородов использовали парафин и нефть.

Опыт с применением нефти проводили втечение 56 суток. Начальные концентрации нефти составляли 20,40, 60,80 г/кг почвы.

Si

S " »

eí*

5 1 Í = i i

6 «

li

0.4? 0.4 OJf O. i 0.2? 0.Л 0.1? 0,1 0.0? o

4««

Оодгрлслмгисфтв в мочве,1

<0 4?

s с? 40

* ti

£ " ^

§t

'£ S iO

f |:< я ©

i =

:«« 4»,, с»., s0«

Началыкмкомкмрмим углеводородов нефти в вочве. 'о

Рис. 4. Средняя скорость Рис. 5. Уровень потребления углеводородов потребления нефти за 56 суток культурой нефти за 56 суток культурой микроорганизмов Candida maltosa шт. 569 микроорганизмов Candida maltosa шт. 569

Опыт (рис.4) показал, что биодеградация нефти в статических условиях проходит неинтенсивно и за 56 суток потребляется менее 50% нефтепродуктов, возможно, вследствие «слипания» почвы и ухудшения ее естественной аэрации. Из рисунка (рис.5) видно, что начиная с концентрации нефти 60 г/кг, процесс биодеградации замедляется.

Известно, что нефть в своем составе содержит достаточно большое количество н-парафинов, которые являются доступным субстратом для углеводородокисляющих дрожжей. Был поставлен опыт с аналогичными концентрациями парафина в почве.

£ Í «I

I s

1150 fj«

i г 50 se-е í У)

£, s = №

(I

I I I

4». 6% Г»

№ча.«п&кмянл|»[вшга!нфгаа в me, *Л

цw

--1 I м

а*

I

Нмалейгэя когакшращи герафшса в new, *•

Рис. 6. Уровень потребления углеводородов Рис. 7. Средняя скорость потребления парафина за 4 суток культурой парафина за 4 суток культурой микроорганизмов Candida maltosa шт. 569 микроорганизмов Candida maltosa шт. 569

динамически необработанным грунтом, в любой момент времени будет содержать меньше углеводородов при их первоначально равном содержании.

Побочным эффектом использования пропеллерной мешалки в непрерывном режиме является грануляция почвы. Результаты эксплуатации пропеллерной мешалки в «интерраптных» режимах представлены на рис. 15. Видно, что все эти режимы в разной степени эффективны.

Применение скребковой мешалки позволило устранить налипание грунта на стенки реактора, но не ускорило процесс биодеградации. Эффективность винтовой мешалки (осевое движение материала сверху вниз) также была невелика.

В опытах с визуализацией потоков перемешиваемого грунта с использованием цветных частиц - маркеров было отмечено, что высокая кратность циркуляции грунта вызывает лучшую его аэрацию и соответственно активизирует биоремедиацию. Стало ясно, что биодеградация связана не столько с перемешиванием, сколько с аэрацией почвы. В соответствии с этим были разработаны и изготовлены гребковые мешалки - аэраторы (рис. 14), представляющие собой наборы неравномерно закрепленных на вращающихся траверсах вертикальных тонких штырей. При вращении гребковой мешалки штыри, следуя круговым траекториям, оставляют в почве цилиндрические каналы, по которым атмосферный воздух проникает во внутренние слои грунта. Эти динамические каналы постоянно засыпаются новыми порциями грунта и вновь возобновляются с очередным оборотом вала привода.

Гребковая мешалка тип I

=0=

Гребковая мешалка тип II

1

Гоебковая мешалка тип III

шМУ

о

Гребковая мешалка тип IV

Рис. 14. Гребковые мешалки

Последующие испытания гребковых мешалок показали их высокую эффективность (рис. 16,17).

Как и следовало ожидать мешалки типа I и Ц оказались менее эффективными, чем мешалки типа III и IV.

Использование дополнительной принудительной аэрации с помощью компрессора не принесло ощутимых результатов.

Применение различных перемешивающих устройств и режимов перемешивания ускоряло процесс биодеградации углеводородов в различной степени и приводило к различным энергетическим затратам.

В этих условиях выбор того или иного устройства для динамического воздействия и режима его работы затруднен.

Нами предложен показатель затратности ремедиации - ПЗР, который позволяет в количественной форме оценить следующие основные факторы, связанные с эксплуатацией устройств для динамической ремедиации загрязнений:

- энергию, расходуемую при ремедиации - Е, КДж;

- продолжительность ремедиации -1, ч;

- массу обрабатываемого грунта - ш, кг;

- снижение концентрации загрязнителя в почве за время I - Дс, г/кг.

___ Е * С КДж * час

ПЗР =---, --

ш* &с г

Примеры использования показателя ПЗР иллюстрируются рис. 18,19,20. Выбирая наименьшие значения ПЗР можно сделать следующие выводы:

- обработка почвы с помощью мешалок и мешалок-аэраторов эффективна только в течение первых суток. Значения ПЗР на вторые сутки возрастают в 1,5 -10 раз;

- постоянный режим динамического воздействия на загрязненную почву почти всегда менее выгоден, чем прерывистые режимы;

- максимально эффективны многоштыревые мешалки в прерывистых режимах, особенно в режиме «30 мин. работы - 30 мин. выстоя».

Рис. 15. Уровень потребления Рис. 18. Среднее значение показателя парафина при использовании пропеллерной затратности ремедиации за 8 часов для мешалки,%. пропеллерной мешалки

5 80

г * «о -1&*

1-е- "»« 1"

о

л 5 к :г

4, Я Л и

О &

" 60

I?

1 АО «

4 60

ВрГОЮВЫСТОЯ. мвн

/ ^

*

V

Рис. 16. Уровень потребления Рис. 19. Среднее значение

параф\та при использовании мешалки типа III показателя затратности ремедиации за

8 часов для мешалки типа 111

В[»4М№9ВМСГОЯ. МКСГ

90 80 70 (.и 50 40 50 20 10 0

¿¿'¿¿¿г

i Л

■ 1 дет. и 2 дега.

Рис. 17. Уровень потребления Рис. 20. Среднее значение

парафина при использовании мешалки типа IV показателя затратности ремедиации за

8 часов для мешалки типа IV Пятая глава (Перспективы применения принудительной аэрации нефтезагрязненных почв) посвящена оценке возможностей интенсификации процесса биоокисления углеводородов в почве за счет принудительной аэрации.

Использование принудительной аэрации, сопряженной с динамическим воздействием на почву, загрязненную углеводородами, очевидно связано с существенными затратами энергии. Кажется, что традиционные методы ремедиации почв на площадках с периодическим «перелопачиванием», а зачастую ручным способом, менее энергозатратны. Однако «перелопачивание» тоже энергозатратный процесс. Учтем, что даже по регламенту оно осуществляется 2 раза в неделю, что далеко не оптимально, а весь процесс длится многие месяцы. Ориентировочный подсчет ПЗР для традиционной технологии и для динамического воздействия в течение суток

с «дозреванием» на площадке показывает гораздо меньшие значения ПЗР в последнем случае.

Это объясняется тем, что период динамического воздействия (1 сутки) на порядки меньше периода «перелопачивания» по традиционной технологии. Период «дозревания» динамически обработанного грунта не требует «перелопачивания», так как при низкой концентрации углеводородов минимальная естественная аэрация достаточна для завершения процесса деструкции.

С другой стороны, сам метод динамического воздействия имеет перспективы для своего развития. В работе показано, что недостаточная аэрация - основная причина торможения деградации.

Во-первых, имеются резервы более полного использования кинетического потенциала промышленных штаммов

углеводородокисляющих культур микроорганизмов. На рис. 21 представлена кинетика удельной скорости роста д для Candida maltosa при ее развитии в глубинной культуре (периодический процесс) и на почве, загрязненной парафином (по материалам данной работы). Исходные значения концентрации субстрата S0 одинаковы. Кривая глубинной культуры построена по зависимости, основанной на уравнении Моно-Иерусалимского:

KsKps+KsSo SgSp KsSEüUCsSa. SKsKps+KpsSb So gKsKps+KpgSo * с$д -* eKsK?s+K?sSs = -2-* g'^Ks+s^

So-S S0 + SH

Видно, что в пределах суток удельная скорость роста дрожжей на почвенных парафинах в 3-6 раз ниже, чем в глубинной культуре в условиях нелимитирующей аэрации.

Во-вторых, необходимо развивать технику и технологию динамического метода, совершенствовать конструкцию аэраторов.

ВЫВОДЫ

В результате

проведенных экспериментов можно сделать следующие выводы:

1. Проведены опыты по исследованию биологического окисления углеводородов в почве в статическом режиме:

определена

-В jKIUKOCnt

—«—в почве

20 40 Время, час

Рис. 21. Изменение удельной скорости роста по времени дня микроорганизмов Candida maltosa на парафине в жидкой среде и в почве

оптимальная влажность для проведения процесса биокомпостирования нефтезагрязненных грунтов;

- внесение структураторов ускоряет процесс биодеградации, за счет улучшения режима аэрации почвы; внесение !4 опилок по объему ускорят процесс биодеградации нефтепродуктов в 2 раза;

- изучен процесс биокомпостирования почвы, загрязненной углеводородами, с автохтонной микрофлорой и с нефтеокисляющими микроорганизмами;

- отмечен эффект популяционного взаимодействия автохтонного биоценоза и тест-культуры микроорганизмов;

- изучено влияние начальной концентрации тест-культуры на процесс биоремедиации;

исследована кинетика процесса биокомпостирования нефтезагрязнений в зависимости от глубины слоя.

2. Проведены опыты в биореаторе по исследованию биологического окисления углеводородов в почве в динамическом режиме:

- исследованы 7 перемешивающих устройств и 5 режимов перемешивания почвы;

- изучено потребление энергии при перемешивании в различных режимах и с использованием различных мешалок-аэраторов.

3. Разработан показатель затратности ремедиации, позволяющий выбрать перемешивающее устройство и оптимальный режим перемешивания.

4. Доказана целесообразность применения принудительной аэрации нефтезагрязненной почвы при биокомпостировании. Удельная скорость роста микроорганизмов в почве в несколько раз ниже, чем в жидкости, где кислород не является лимитирующим фактором.

5. Намечены перспективы возможного совершенствования методов динамического воздействия на почвы, загрязненные углеводородами.

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

Е - энергия, расходуемая на ремедиацию, КДж; Ks - константа кинетического уравнения, численно равная концентрации лимитирующего питательного вещества (субстрата) в культуральной жидкости, при которой fi = 0,5 Мша» кг/м3; Kps - константа кинетического уравнения, численно равная количеству субстрата, при усвоении которого в единице объема культуральной жидкости образуется концентрация продуктов обмена, вызывающая уменьшение коэффициента скорости роста до значения ц = 0,5 Umax, кг/м3; ш - масса обрабатываемого грунта, кг; N - мощность, затрачиваемая на перемешивание, Вт; п - скорость вращения мешалки, об/с;

15

г - радиус корпуса аппарата, м; S - текущая концентрация субстрата в культуральной жидкости, кг/м3; S0 - исходная концентрация субстрата в культуральной жидкости, кг/м3; SH - концентрация субстрата соответствующая началу отсчета, кг/м3; t - продолжительность процесса, для которого рассчитывается ПЗР, час; X - концентрация биомассы, кг/м3; Дс -снижение концентрации загрязнителя в почве за время t, г/кг; ц - удельная скорость роста микроорганизмов, 1/ч; (Wx - предел, к которому стремится скорость роста микроорганизмов, ч'1; х - время, с.

Список публикаций по теме диссертации

1. Заборская А.Ю., Чугунова Е.А. / Оценка факторов, ускоряющих биодеградацию углеводородов нефти в почве // Научная конференция студентов и молодых ученых МГУИЭ: Тезисы докладов. - М.: МГУИЭ, 2008. -с. 26-27.

2. Орлова Е.В., Заборская А.Ю. / Факторы ускорения биокомпостирования нефтезагрязненных грунтов // Научная конференция студентов и молодых ученых МГУИЭ: Тезисы докладов. - М.: МГУИЭ, 2009.- с. 26.

3. Заборская А.Ю., Алексеева O.A., Нахалова Я.А. / Изучение биоремедиации почв, загрязненных углеводородами на модельных средах // Научная конференция студентов и молодых ученых МГУИЭ: Тезисы докладов. В 2-х т. Т.1 - М.: МГУИЭ, 2010. - с.5.

4. Заборская А.Ю., Метелкина A.B. / Изучение биоремедиации нефтезагрязненных почв в условиях динамических воздействий // Научная конференция студентов и молодых ученых МГУИЭ: Тезисы докладов. В 2-х т. Т.1 -М.: МГУИЭ, 2010. -с.16.

5. Заборская А.Ю. Интенсификация процесса биокомпостирования нефтезагрязненных почв / Сборник трудов VI международной научно-практической конференции // под ред. Д.А. Баранова, A.A. Минаева, В.М. Клевлеева, В.В. Бирюкова, Д.В. Зубова-М.:МГУИЭ, 2009, с. 15-16.

6. Заборская А.Ю. Оценка факторов,ускоряющих биодеградацию углеводородов в почве / Материалы международной научно-практической конференции, часть 2 (Москва, 15-17 марта, 2010 г.), М.: ЗАО «Экспо-биохим-технологии», РХТУ имени Д.И. Менделеева, 2010 - с. 151-152.

7. Заборская А.Ю., Крамм Э.А., Кустова H.A. Изучение биоремедиации нефтезагрязненных почв в условиях динамических воздействий / Сборник трудов международной научно-практической конференции. Донецк 26-28 мая 2010. - Донецк, ДонНТУ Министерство образования и науки Украины, 2010, с. 53-54.

8. Гонопольский А.М., Крамм ЭЛ., Заборская А.Ю., Самарь О.Б. Процессы детоксикации нефтезагрязненных грунтов в статако-динамических условиях / Химическое и нефтегазовое машиностроение, 2010, № 11, с.43-47

9. Заборская AJO., Крамм Э.А., Кустова Н.А. Изучение влияния структураторов на процесс биоремедиации нефтезагрязненных почв / Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе, 2011/1, с. 10-13

10. Крамм Э.А., Кустова Н.А., Заборская А.Ю. Изучение процесса биокомпостирования нефтезагрязненных грунтов на модельных средах / Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе, 2011/2, с. 39-42

11. Заборская А.Ю., Крамм Э.А., Кустова Н.А. Процессы биокомпостирования нефтезагрязненных почв в динамических условиях / Материалы VI Московского международного конгресса, часть 2 (Москва, 2125 марта, 2011 г.), М.: ЗАО «Экспо-биохим-технологии», РХТУ имени Д.И. Менделеева, 2011-е. 110.

12. Zaborskaya А., Кгашш Е., Kustova N. Influence of dynamic action on biodégradation of hydrocarbons in soil / Environmental engineering selected papers, Vilnius, Lituania, May 19-20, 2011, VGTU Press «Technika», 2011 - c. 457-460.

13. Заборская А.Ю., Крамм Э.А., Кустова H.A. Биоремедиация грунтов загрязненных углеводородами нефти в динамических условиях / Международная конференция Российского химического общества им. Д. И. Менделеева: тезисы докладов. - М.: РХТУ им. Д. И.Менделеева, 2011 - с. 158-159.

Подписано в печать 23.01.12 Формат бумаги 60X84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Тираж 120 экз. Отпечтано на ризографе МГУИЭ 105066, Москва, ул. Старая Басманная, 21/4

оЛе^а^^чы^ ефиище,-¥,$,3,10.

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата технических наук, Заборская, Анна Юрьевна, Москва

61 12-5/1441

Московский государственный университет инженерной экологии

На правах рукописи

ЗАБОРСКАЯ АННА ЮРЬЕВНА

БИОКОМПОСТИРОВАНИЕ НЕФТЕЗАГРЯЗНЕННЫХ

ТОРФОГРУНТОВ

Специальность: 03.02.08 - Экология (в химии и нефтехимии), 03.01.06 - Биотехнология (в том числе бионанотехнологии)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители: доктор технических наук Крамм Э.А.

кандидат биологических наук Кустова Н.А.

Москва 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

Основные обозначения................................................................................................................................................6

ВВЕДЕНИЕ..........................................................................................................................................................7

Глава I. Современные методы очистки нефтезагрязненных

грунтов........................................................................................................................................................................................Ю

1.1.ПДК нефтепродуктов в почве, нормативы............... ......................................10

1.2.Способность природных сред к самоочищению......................................................11

1.3.Сравнение методов, преимущества и недостатки....................................................16

1.4. Основные этапы биотехнологической рекультивации грунтов................21

1.4.1. Предварительный этап................................................................................................................21

1.4.2. Физико-химический этап..........................................................................................................23

1.4.3. Микробиологический этап....................................................................................................25

1.4.4. Фитомелиоративный этап......................................................................................................29

1.5. Применение биопрепаратов для очистки нефтезагрязненных грунтов......................................................................................................................................................................31

1.6. Основные принципы процесса компостирования............................................40

1.7. Системы очистки нефтезагрязненных грунтов............ ..........................45

1.7.1. Системы компостирования......................................................................................................45

1.7.2. Обработка в биореакторах......................................................................................................50

1.7.3.Комбинированные и гибридные процессы................................................................54

Выводы............................................................................................................................................................................57

Глава И. Материалы и методы экспериментальных исследований..............58

2.1 .Материалы и методы, используемые при исследовании процесса

биоокисления углеводородов в условиях естественной аэрации......................58

2.1.1. Культивирование тест-культуры......................................................................................58

2.1.2. Гранулометрический состав почвы и песка..........................................................59

2.1.3. Стерилизация почвы....................................................................................................................61

2.1.4. Метод исследования степени биодеградации нефти в зависимости

от влажности почвы................................................................... 62

2.1.5. Метод исследования влияния структураторов (опилок и торфа)

на биодеградацию нефтепродуктов в почве...................................... 62

2.1.6. Определение концентрации нефтепродуктов в почве.................. 63

2.1.7. Определение количества тест-культуры в почве....................... 64

2.1.8. Определение влажности почвы............................................. 66

2.1.8.1. Определение влажности почвы путем доведения до постоянного веса....................................................................... 66

2.1.8.2. Определение влажности почвы на приборе МА-45 фирмы ЗаЛопш..................................................................................... 67

2.1.9. Установка для изучения скорости потребления углеводородов в зависимости от глубины слоя почвы.............................................. 67

2.1.10. Оценка погрешности измерений за счет неравномерности

расперделения загрязнителя в почве............................................... 68

2.2. Материалы и методы, используемые при исследовании процесса биоокисления углеводородов в динамическом режиме........................ 71

2.2.1. Лабораторная установка для очистки нефтезагрязненных почв..... 71

2.2.2. Определение мощности, затрачиваемой на перемешивание нефтезагрязненной почвы............................................................ 74

2.2.3. Показатель затратности ремедиации нефтезагрязненных

почв....................................................................................... 74

Глава III. Исследования процесса биокомпостирования в условиях естественной аэрации...................................................................... 77

3.1. Зависимость степени биодеградации углеводородов нефти от влажности нефтезагрязненной почвы............................................. 77

3.2. Оценка влияния структураторов (опилок, торфа) на биодеградацию нефтепродуктов в почве.............................................................. 78

3.3. Изучение процесса биокомпостирования нефтезагрязненных

грунтов на модельных средах............................................................................................................83

3.4. Изучение влияния начального количества тест-культуры на процесс биоремедиации..................................................................................................................................................88

3.5. Исследование процесса биокомпостирования нефтезагяднений в зависимости от толщины слоя почвы..........................................................................................90

3.6. Определение глубины проникновения парафина в почву............................91

Глава IV. Исследования процесса биокомпостирования в динамических

условиях......................................................................................................................................................................................92

4.1. Исследование зависимости мощности от высоты слоя почвы в аппарате и влажности почвы при различной скорости вращения мешалки..................................................................................................................................................................92

4.2. Исследование влияния перемешивания на процесс биокомпостирования углеводородов в почве......................................................................99

4.2.1. Пропеллерная мешалка..............................................................................................................99

4.2.1.1. Непрерывный режим перемешивания......................................................................100

4.2.1.2. Режим 30 мин перемешивания через 30 минут выстоя..............................102

4.2.1.3. Режим 1 час перемешивания через 1 час выстоя........................................103

4.2.1.4. Режим 15 мин перемешивания через 15 мин выстоя..............................104

4.2.1.5. Режим 15 мин перемешивания через 45 мин выстоя..............................105

4.2.2. Скребковая мешалка......................................................................................................................106

4.2.2.1. Непрерывный режим перемешивания......................................................................106

4.2.2.2. Режим 30 мин перемешивания через 30 минут выстоя..........................107

4.2.2.3. Режим 1 час перемешивания через 1 час выстоя..........................................107

4.2.2.4. Режим 15 мин перемешивания через 15 мин выстоя................................108

4.2.2.5. Режим 15 мин перемешивания через 45 мин выстоя................................108

4.2.3. Винтовая мешалка..........................................................................................................................109

4.2.4. Оценка интенсивности аэрации с использованием индикаторной частицы..................................................................................

4.2.5. Мешалка тип IV................................................................................................................................НО

4.2.5.1. Непрерывный режим перемешивания....................................................................110

4.2.5.2. Режим 30 мин перемешивания через 30 минут выстоя..............................111

4.2.5.3. Режим 1 час перемешивания через 1 час выстоя..........................................112

4.2.5.4. Режим 15 мин перемешивания через 15 мин выстоя..................................113

4.2.5.5. Режим 15 мин перемешивания через 45 мин выстоя................................114

4.2.6. Мешалка тип III..................................................................................................................................116

4.2.6.1. Непрерывный режим перемешивания......................................................................116

4.2.6.2. Режим 30 мин перемешивания через 30 минут выстоя..............................117

4.2.6.3. Режим 1 час перемешивания через 1 час выстоя............................................118

4.2.6.4. Режим 15 мин перемешивания через 15 мин выстоя................................119

4.2.6.5. Режим 15 мин перемешивания через 45 мин выстоя................................120

4.2.7. Мешалки тип I и II..........................................................................................................................121

4.2.7.1. Мешалка тип II..............................................................................................................................121

4.2.7.2. Мешалка тип 1................................................................................................................................122

4.2.8. Комбинированная мешалка....................................................................................................122

4.3. Уровень потребления парафина в «интерраптных» режимах в зависимости от времени работы и выстоя................................................................................J23

4.4. Показатель затратности ремедиации для различных

перемешивающих устройств и режимов перемешивания........................................124

Глава V. Перспективы применения принудительной аэрации

нефтезагрязненных почв........................................................................................................................................129

Общие выводы и основные результаты работы......................................................................135

Список литературы....................................................................................................................................................137

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

А - предэкспоненциальный множитель в уравнении Аррениуса, мин"1; Е - энергия, расходуемая на ремедиацию, КДж;

Е0 - энергия активации при деструкции микроорганизмов Bacillus stearothermophilus шт. 1517, кДж/моль;

Ks - константа кинетического уравнения, численно равная концентрации лимитирующего питательного вещества (субстрата) в культуральной жидкости, при которой (I = 0,5 цтах, кг/м3;

Kps - константа кинетического уравнения, численно равная количеству субстрата, при усвоении которого в единице объема культуральной жидкости образуется концентрация продуктов обмена, вызывающая уменьшение коэффициента скорости роста до значения (i = 0,5 кг/м ; m - масса обрабатываемого грунта, кг; N - мощность, затрачиваемая на перемешивание, Вт; п - скорость вращения мешалки, об/с; г - радиус корпуса аппарата, м; R - газовая постоянная, кДж/моль*К;

S - текущая концентрация субстрата в культуральной жидкости, кг/м3; S0 - исходная концентрация субстрата в культуральной жидкости, кг/м3;

SH - концентрация субстрата, соответствующая началу отсчета, кг/м ; t - продолжительность процесса, для которого рассчитывается ПЗР,

час;

X - концентрация биомассы, кг/м ;

Ас - снижение концентрации загрязнителя в почве за время t, г/кг;

(х - удельная скорость роста микроорганизмов, 1/ч;

jjmax - предел, к которому стремится скорость роста микроорганизмов,

ч1;

т - время, с.

ВВЕДЕНИЕ

Основной поток нефтяных загрязнений около (2-3)* 10 т ежегодно обусловлен техногенными источниками. В среднем 3% добываемой нефти попадает в окружающую среду только на этапе ее добычи и транспортировки, что в абсолютном исчислении составляет десятки миллионов тонн. К тому же приводят аварийные разливы нефти, промысловых, сточных и сильноминерализованных пластовых вод, разливы нефти - следствие аварий на буровых скважинах, нефтепроводах, железнодорожных и морских путях, на нефтехранилищах. В городских условиях большую долю составляют локальные загрязнения

нефтепродуктами.

Почва в первую очередь страдает от загрязнения нефтью и нефтепродуктами. Такое загрязнение ведет к нарушению биоценозов и снижению их видового разнообразия. Биологический способ ремедиации нефтезагрязненных почв имеет ряд преимуществ и является наиболее перспективным.

Негативное действие нефти связано с непосредственным токсическим действием, а также с изменением физических свойств почвы (ухудшается доступ кислорода и влаги) вследствие чего снижается ее плодородие.

Восстановление плодородия почвы после воздействия нефтепродуктов в естественных условиях длится десятки лет, а глубинные загрязнения могут

сохраняться сотни лет [39].

При использовании биореакторов для ремедиации нефтезагрязненных почв можно достичь высоких скоростей деструкции за счет обеспечения оптимальных условий развития микроорганизмов. В биореакторах можно относительно легко обеспечивать термофильные режимы обработки, доминирование микроорганизмов-деструкторов.

Наиболее перспективным считается биологический путь восстановления загрязненных почв. Существуют природные

микроорганизмы, которые потребляют нефтепродукты в качестве источника углерода, окисляют токсичные соединения, преобразуя их в 1умус [62]. Целью настоящей работы является разработка технологии биологической очистки нефтезагрязненных почв в статическом и динамическом режимах.

Для достижения поставленной цели представляется целесообразным решение следующих задач:

1. Исследование процесса биокомпостирования почв, загрязненных углеводородами в статическом режиме:

определение оптимальной влажности для процесса биокомпостирования нефтезагрязненных грунтов;

- учет влияния структураторов (опилок, торфа) на биодеградацию нефтепродуктов в почве;

рассмотрение процесса биокомпостирования нефтезагрязненных грунтов с автохтонной микрофлорой и с внесением нефтеокисляющих

микроорганизмов;

влияние начального количества тест-культуры на процесс

биоремедиации;

- эффективность биокомпостирования нефтезагрязнений в зависимости от глубины слоя почвы;

- определение глубины проникновения загрязнителя в почву.

2. Исследование процесса биокомпостирования почв, загрязненных углеводородами в динамических условиях:

- подбор перемешивающего устройства;

- подбор режима перемешивания;

- разработка показателя затратности ремедиации.

Основные положения, выносимые автором на защиту:

- Использование лабораторного биореактора для исследования процесса биокомпостирования почв, загрязненных углеводородами в динамических условиях, а также измерения затрачиваемой на аэрацию энергии.

- Результаты исследований кинетики потребления углеводородов в почве при биокомпостировании нефтезагрязненных почв в условиях искусственной аэрации.

- Разработка методики определения экономической целесообразности процесса биоремедиации нефтезагрязненных почв.

Научная новизна работы

Впервые исследована кинетика биологического окисления углеводородов в почве в динамических условиях, сопряженная с исследованием затрат энергии.

Разработаны инженерно-экономические аспекты ремедиации нефтезагрязненных почв.

Практическая значимость работы

Экономически обоснован метод очистки нефтезагрязненных почв с использованием механического воздействия.

Предложена методика комплексной оценки процесса очистки почв, загрязненных углеводородами при помощи показателя затратности ремедиации.

Структура работы

Диссертация состоит из введения, обзора литературы, методической части, экспериментальной части, выводов и списка литературы. Диссертация изложена на 151 странице машинописного текста, содержит 6 таблиц и 97 рисунков. Список литературы содержит 115 наименований.

Глава I. Современные методы очистки нефтезагрязненных грунтов

1.1. ПДК нефтепродуктов в почве, нормативы

В России до настоящего времени отсутствуют государственные нормативы на содержание нефтепродуктов, находящихся в почве. Отраслевые нормативы содержания нефтепродуктов в почвах: концентрация (в г/кг): допустимая — до 1; низкая — до 2; средняя — до 3; высокая — до 5 и очень высокая — свыше 5. Показатели определены с позиции расчета размеров ущерба, нанесенного аварийными разливами нефти или нефтепродуктов, которые содержат токсичные ароматические фракции, без учета рекультивационных мероприятий, снижающих основной токсический эффект, нанесенный загрязнителем. Эти нормативы утратили свою актуальность, так как при проведении рекультивационных мероприятий в техногенных зонах (на автозаправочных станциях, нефтебазах, в хранилищах горюче-смазочных материалов, железнодорожных депо, свалках и т.п.) необходимо учитывать конечный уровень нефтезагрязнений, устанавливаемых природоохранными органами.

Почвенные микроорганизмы, испытывая на себе действие загрязнителей, могут служить индикаторами безопасного предельного уровня нефтезагрязнений. Установлено, что в процессе биологической деструкции нефтепродуктов идет постоянное накопление промежуточных продуктов окисления: смоло-, асфальтено- и битумоподобных соединений, не токсичных при низких концентрациях (не выше 3 г/кг) для большинства растений и представителей почвенных биоценозов. По мере биологической деструкции нефтепродуктов трудно окисляемые соединения постепенно накапливаются в почве. Это обстоятельство отражается на сроках проведения рекультивационных мероприятий. Например, снижение концентрации нефтепродуктов с 50 до 3 г/кг (т.е. в 17 раз) достигается за 4—5 мес. очистки, а снижение концентрации нефтезагрязнений с 3 до 1 г/кг (т.е. в 3 раза) требует такого же времени [68].

Для огромной территории России с ее разнообразием природно-климатических и почвенных условий единых нормативов быть не может. В пределах одной природной зоны нормативы должны быть различны для разных типов почв и видов использования земель [81].

1.2. Способность природных сред к самоочищению

Углеводородное загрязнение отличается от других антропогенных воздействий тем, что оно создает не постепенную, а, как правило, «залповую» нагрузку; это вызывает быструю ответную реакцию, выражающуюся в резком снижении или даже прекращении биологической активности. Через 1-4 недели после попадания