Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Инициация физико-химических и биологических процессов самоочищения как способ подготовки углеводородных шламов к биоремедиации

ВАК РФ 03.02.03, Микробиология

Автореферат диссертации по теме "Инициация физико-химических и биологических процессов самоочищения как способ подготовки углеводородных шламов к биоремедиации"

НЕСМЕЛОВ АЛЕКСАНДР АЛЕКСАНДРОВИЧ

ИНИЦИАЦИЯ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ И БИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ САМООЧИЩЕНИЯ КАК СПОСОБ ПОДГОТОВКИ УГЛЕВОДОРОДНЫХ ШЛАМОВ К БИОРЕМЕДИАЦИИ

03.02.03 - микробиология

АВТОРЕФЕРАТ 00501

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Казань-2012

005019340

Работа выполнена на кафедре микробиологии биолого-почвенного факультета ФГАОУВПО «Казанский (Приволжский) федеральный университет».

Научный руководитель: Доктор биологических наук, в.н.с.

Наумова Рнмма Павловна

Официальные оппоненты: Габдрахманова Лейла Асхатовиа, доктор

биологических наук, с.н.с., ФГБОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет», нач. учебного управления.

Никитина Елена Владимировна, кандидат биологических наук, доцент кафедры технологии пищевых производств, ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет», доцент.

Ведущая организация: ГНУ «Татарский научно-исследовательсий институт

сельского хозяйства РАСХН», г. Казань.

Защита диссертации состоится «29» марта 2012 г. в 13-00 часов на заседании диссертационного совета Д.212.081.08 при ФГАОУВПО «Казанский (Приволжский) федеральный университет» по адресу: 420008, г. Казань, ул. Кремлевская, 18, главное здание, ауд. 211.

Факс 8(843)238-71-21, 233-78-72. E-mail: nesmelov@gmaa.com

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке им. Н.И. Лобачевского Казанского (Приволжского) федерального университета.

Автореферат разослан «.22.» февраля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор биологических наук

3. И. Абрамова

Актуальность. Образование шламов, содержащих углеводороды, представляет собой одну из наиболее сложных экологических проблем нефтегазовой промышленности. Данные отходы представляют собой осадки различного происхождения, загрязнённые нефтью, нефтепродуктами и углеводородами иного происхождения. На предприятиях органического синтеза и нефтехимии основная масса шламов образуется при первичной очистке сточных вод, содержащих углеводороды. Шламы подобного происхождения представляют собой смесь компонентов, отделившихся при отстаивании от основного объёма стоков; для них характерен высокий уровень углеводородного загрязнения и токсичности, что обуславливает их опасность для окружающей среды и здоровья человека. Объёмы образования данных отходов на крупном предприятии могут достигать более 10 тыс м3 в год. Специфический комплекс свойств шламов - прежде всего, высокое содержание воды, сложность состава углеводородной фракции, устойчивое состояние в виде вязкой водо-нефтяной эмульсии, обуславливают сложность и высокую стоимость переработки отходов данного типа в большинстве случаев. По этой причине значительная масса шламов размещается на полигонах без переработки.

Применение биотехнологий для переработки шламов, содержащих углеводороды, является объектом постоянного внимания исследователей по всему миру, что подтверждается постоянной публикацией работ по данному направлению. Этот интерес обусловлен достоинствами биотехнологий, которые зачастую характеризуются наилучшим сочетанием показателей эффективности, стоимости и экологической безопасности, по сравнению с термическими (сжигание), физико-химическими (экстракция, отверждение, стабилизация) и иными технологиями переработки. Благодаря своим достоинствам биотехнологии практически повсеместно используются дня переработки и обезвреживания различных загрязнённых объектов. Однако, они ограниченно применимы для обработки шламов, содержащих углеводороды. Это обусловлено высокой токсичностью отходов данного типа и длительностью деградации углеводородного загрязнения, составляющего от 10 до 60% по массе. В абсолютном большинстве случаев исследования по биологической переработке шламов предусматривают многократное разбавление шлама почвой, торфом, опилками и иными агентами. Данный подход увеличивает стоимость обезвреживания и конечный объём продукта переработки, содержащего остаточное загрязнение.

В связи с вышесказанным, представляет интерес вовлечение процессов самоочищения шламов в процесс их подготовки к биологическому обезвреживанию. Данные процессы протекают при хранении шламов и обусловлены воздействием спектра абиотических (прежде всего, климатических) и биотических факторов. Однако эффективность их в случае шламов, находящихся в хранилищах, оказывается невысокой по ряду причин: хранение шламов в сравнительно глубоких накопителях (глубиной от 1 до 5 м и более), недостаток соединений азота и неблагоприятный водный режим, характеризующийся чередованием периодов переувлажнения и пересыхания шламовых масс.

В связи с вышеизложенным целью настоящей работы явилась разработка способа подготовки углеводородсодержащих шламов к биологическому обезвреживанию, основанного на направленном ускорении физико-химических и биологических процессов их самоочищения.

В связи с поставленной целью решались следующие задачи:

1. Установить закономерности изменения физической структуры и химического состава шламов под воздействием замораживания и оттаивания и выявить основные компоненты в минералогическом составе твёрдой фазы шлама.

2. Определить токсические и генотоксические свойства водной фазы шлама до и после воздействия замораживания и оттаивания.

3. Охарактеризовать динамику изменений качественного и количественного состава и активности микрофлоры шламов под воздействием замораживания и оттаивания.

4. Провести полевой эксперимент по подготовке шлама ОАО «Казаньоргсинтез» к биологическому обезвреживанию методом замораживания и оттаивания в масштабе промышленных испытаний.

5. Подобрать условия для ускорения биологического обезвреживания подготовленного шлама за счёт оптимизации доз азотных (нитрат аммония) и фосфорных (суперфорсфаг) удобрений, скрининга растений-фитомелиорангов и внесения наполнителей.

Научная новизна. Впервые охарактеризованы эффекты замораживания и оттаивания по отношению к обезвоживанию шламов двух крупнейших в нефтегазовой отрасли предприятий РТ — ОАО «Казаньоргсинтез» и ОАО «Нижнекамскнефтехим». Впервые установлено, что воздействие замораживания н оттаивания способно ускорять обезвоживание углеводородсодержащего шлама в условиях высушивания. Впервые охарактеризован эффект замораживания и оттаивания по отношению к состоянию микрофлоры углеводородсодержащих шламов и к условиям обитания микрофлоры с точки зрения токсических и генотоксических свойств водной фазы данных отходов. Впервые охарактеризован состав их минеральных фаз. Впервые осуществлена подготовка углеводородного шлама к биоремедиации за счёт инициации . физико-химических и микробиологических процессов самоочищения, достигнуто снижение уровня загрязнения и токсичности до уровня, совместимого с ростом растений. Впервые предложены методы ускорения биологического обезвреживания шлама ОАО «Казаньоргсинтез».

Практическая значимость. Результаты работы способствуют решению проблемы переработки шламов, содержащих углеводороды. Полученные результаты демонстрируют возможность подготовки отходов данного типа к биологическому обезвреживанию за счёт минимальной обработки, активизирующей процессы их самоочищения. Таковая подготовка характеризуется максимальной технологической простотой и высокими экономическими показателями, но позволяет снизить уровень загрязнения и токсичности отходов до уровня, совместимого с ростом растений и тем самым позволяет активизировать обезвреживание углеводородсодержащих шламов за счёт использования метода фиторемедиации. Масштабирование эксперимента по подготовке шлама в полевых условиях опытно-промышленных испытаний продемонстрировало, что таковая подготовка может быть успешно применена в реальных условиях предприятий. Проведённые в работе скрининг растений-фитомелиорангов и оптимизация доз азотных и фосфорных удобрений позволили разработать схему дальнейшего биологического обезвреживания отхода, что открывает перспективы создания новой технологии переработки шламов, содержащих углеводороды. Данная технология

характеризуется экстенсивностью и низкой стоимостью, позволяя снизить загрязнение и токсичность шламов до уровня, обеспечивающего снижение опасности отхода на один класс и получение экономического эффекта. Кроме того, частичное снижение уровня загрязнения шлама предполагает деструкцию и трансформацию в первую очередь низкомолекулярных компонентов, характеризующихся максимальной доступностью для организмов, что повышает безопасность шлама и способствует улучшению состояния окружающей среды и условий для работников предприятий.

Положения, выносимые на защиту:

1. Воздействие замораживания и оттаивания дестабилизирует физическую структуру углеводородного шлама ОАО «Казаньоргсинтез», ускоряет его обезвоживание в условиях высушивания до 26% в течение 10 сут, и не вызывает изменений токсических и генотоксических свойств водной фазы данного отхода, но вызывает снижение численности и активности микрофлоры.

2. С применением рентген-дифрактометрического анализа установлено, что в составе механических примесей шлама преобладают минералы, способные оказать значительное влияние на процессы трансформации органических компонентов шлама за счёт структурирующего действия ионов кальция.

3. В полевых условиях продемонстрировано, что воздействие комплекса процессов самоочищения шлама ОАО «Казаньоргсинтез», ускоренных в контролируемых условиях, позволяет достичь снижения уровня загрязнения и токсичности шлама до уровня, совместимого с ростом растений-фигомелиорангов и, тем самым, подготовить его к интенсивному биологическому обезвреживанию методом фиторемедиации.

4. Продемонстрирована возможность ускорения биологического обезвреживания шлама за счёт вовлечения микробно-расгительных взаимодействий в процесс обезвреживания шлама при высеве, овса Avena saliva £., внесении удобрений и агротехнической обработки.

Связь работы с научными программами в собственный вклад автора в исследовании.

Работа выполнена в соответствии с тематическим планом КФУ, регистрационный номер 01200955076, «Механизмы регуляции функциональной активности клеток» при поддержке AB ЦП «Развитие научного потенциала высшей школы» (2.1.1/920), государственного контракта №16.515.11.5043. Рентген-дифракгометрический анализ минеральных фаз шламов проведён на базе ФГУП ЦНИИ Геологии нерудных полезных ископаемых, г. Казань. Полевые эксперименты проводили на базе цеха очистных сооружении ОАО «Казаньоргсинтез». Научные положения диссертации и выводы базируются на результатах собственных исследований автора.

Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на Материалы диссертции доложены и обсуждены на Российской школе-конференции молодых ученых «Экотоксикология: современные биоаналитические системы, методы и технологии» (Пущино-Тула, 2006), Международной конференции в рамках выставки «Waste Tech 2007» (Москва, 2007), Ш научной конференции "Промышленная экология и безопасность" в рамках VI Международного Форума "Нефть, газ, экология" (Казань, 2008), научной школе-конференции ХШ симпозиума европейского симпозиума студентов-биологов «SymBioSE 2009» «Biology: Expansion of Borders» (Kazan, 2009), XIV Международной конференции «Microbial

enzymes in biotechnology and medicine» (Казань, 2009), IV Межрегиональной конференции «Промышленная экология и безопасность» (Казань, 2009), XIV Международной Путинской школы-конференции молодых ученых (Пущино, 2010), VI Международной научной школе «Наука и инновации - 2011» (Йошкар-Ола, 2011).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 научных работ, из них 2 статьи в центральных отечественных рецензируемых журналах: Ученые записки Казанского университета, Секция Естественные науки; Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. По материалам диссертации получен патент.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания материалов и методов исследований, раздела экспериментальных исследований, обсуждения результатов, выводов и списка литературы. Работа изложена на 121 странице машинописного текста, включает 7 таблиц, 18 рисунков. Библиография содержит 108 наименований, в том числе 89 -зарубежных авторов.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

1.1. Объекты исследования, отбор н подготовка проб

Основным объектом исследования являлся твёрдый промышленный отход (шлам) предприятия ОАО «Казаньоргсингез» (Россия, Республика Татарстан, г. Казань). Кроме того, в ряде экспериментов был использован шлам ОАО «Нижнекамскнефтехим» (Россия, Республика Татарстан, г. Нижнекамск). Данные отходы образуются при первичной очистке сточных вод и представляют собой смесь компонентов, отделившихся от сточных вод при их отстаивании. В большинстве экспериментов и анализов использовали шламы в исходном или обработанном состоянии без дополнительной пробоподготовки. Для характеристики химического состава .шлам высушивали на воздухе до постоянного веса, устраняли посторонние включения и измельчали в агатовой ступке.

1.2. Лабораторпые эксперименты

В лабораторных экспериментах замораживание и оттаивание образцов шламов проводили при следующих условиях: замораживание при минус 14°С в течение 10-12 часов, оттаивание при комнатной температуре 23-25°С в течение 6 часов.

1.2.1 Оценка воздействия замораживания и оттаивания на обезвоживание шламов при центрифугировании. Образцы шламов в исходном состоянии и после замораживания и оттаивания (которое проводили непосредственно в герметично закрытых центрифужных стаканах) центрифугировали при 3500g, периодически сливали отделившуюся водную фазу и определяли массу оставшейся части шлама Повторность - трёхкратная.

1.2.2 Оценка влияния замораживания и оттаивания на обезвоживание шламов при высушивании. Образцы шламов в исходном состоянии и после замораживания, оттаивания и дополнительного усреднения помещали в донные части стеклянных чашек Петри (предварительно подобранных, равных размеров), полностью заполняя их ровным слоем шлама толщиной 1 см. Во втором варианте теми же образцами заполняли пластиковые контейнеры с внутренним диаметром 6 см и высотой 20 см без дна; донную часть контейнеров предварительно закрывали фильтровальной бумагой и двумя слоями марли для обеспечения оттока воды. В

обоих вариантах отслеживали потерю массы шлама при его высушивании при комнатной температуре (23-25°С).

1.2.3 Рентген-дифрактометрический анализ минералогического состава имамов. Использовали тонкоизмельченные образцы шламов после предварительной обработки биологическим методом фиторемедиации. Совокупность базальных рефлексов в интервале межплоскостных расстояний 65-3 А регистрировали на рентгеновском дифрактометре D8 ADVANCE (Bruker, USA).

1.2.4 Характеристика воздействия замораживания и оттаивания на микрофлору шлама. Численность микроорганизмов различных физиолого-биохимических групп в шламе ОАО «Казаньоргсинтез» оценивали стандартным методом посева разведений объекта на спектр твердых сред: мясо-пептонпый агар (МПА) для выделения аэробных гетеротрофных микроорганизмов, среда Эшби для выделения азотфиксирующих и олигонитрофнльных микроорганизмов, среда Эндо для выделения бактерий группы кишечной палочки (БГКП), агаризованная среда с добавкой гексадекана для выделения деструкторов данного углеводорода.

Численность жизнеспособных некультнвируемых микроорганизмов определяли с использованием модифицированного метода Когуре, внося в разведения шлама дрожжевой экстракт (250 мкг/мл; здесь и далее указана конечная концентрация) и антибиотики: налидиксовую кислоту (20 мкг/мл), шшемидиновую кислоту (10 мкг/мл), цефалексин (10 мкг/мл), ципрофлаксин (0.5 мкг/мл). После инкубации микроскопировали препараты шлама, подсчитывали общее количество клеток и количество клеток увеличенного размера и неправильной формы в полях зрения микроскопа.

Дыхательную активность микрофлоры шлама ОАО "Казаньоргсинтез" определяли, оценивая с помощью газовой хроматографии концентрацию СО: в над герметично закрытыми в течение одного часа пробами шлама (через 8 часов экспозиции при комнатной температуре, через два часа после подъёма их температуры до комнатной (23°С)).

1.2.5 Оценка токсических и генотоксических свойств водной фазы шлама и ДМСО-экстракта шлама. Водную фазу шлама получали центрифугированием проб шлама, оценивали в соответствии со стандартными методиками [ПНДФ Т 14.1.234 3-99; ПНДФ Т 01.19.229/2000]. Генотоксичность (мутагенное действие) определяли в стандартном тесте Эймса по отношению к штамму Salmonella typhimurium ТА 100 для водной фазы шламов и экстрактов, приготовленных на основе диметплсульфоксида (ДМСО) в пропорции 2:1 (по массе). Оценивали содержание гистидина по методу Ильинской с соавторами (Ильинская с соавт., 2001].

U Полевые эксперименты.

1.3.1 Подготовка шлама ОАО «Казаньоргсинтез» к биологическому обезвреживанию в условиях полевого эксперимента. В начале холодного сезона (9 ноября) отход с помощью погрузчика извлекли из действующего накопителя 41 Г, и распределили слоем толщиной около 0.3 м в свободном щламонакопителе, оборудованном дренажом, обрабатывали в соответствии с таблицей 1.

1.3.2 Оценка дыхательной активности микрофлоры обработанного имама при варьировании форм и доз удобрений и источника полива. Опыт проводили со шламом, влажность которого в ходе предварительной обработки снизили до 20%. Вносили увлажняющую жидкость из различных источников и различные дозы удобрений (сульфат аммония, аммиачная селитра, аммофоска, мочевина, аммиачная селитра + суперфосфат), определяли дыхательную активность микрофлоры

стандартным газохроматографическим методом.

Таблица I.

Схема полевого эксперимента по подготовке шлама ОАО "Казаньоргсинтез" к

Дата Последовательность технологических этапов обработки

9 ноября Выемка шлама (5 ы') из вахопителя 41Г и перемещение в свободный накопитель 42Г, распределение слоем 25-30 см.

8 мая Вспахивание мотокультиватором, анализ оптимальной дозировки азота по респираторной активности микрофлоры

11 мая Внесение нитрата аммония (2 г/кг), повторное вспахивание, полив.

22 мая Анализ оптимальной дозировки азота по респираторной активности микрофлоры

25 мая Внесение нитрата аммония (3 г/кг), полив.

1.3.3 Скрининграстений-фитомелиорантов. Шлам закладывали по 20-25 кг в дренируемые контейнеры (34x64x20 см). Высевали семена тестируемых растений (¿Ошт/дм2'. Определяли показатели развития растений в течение 2-х недель согласно ISO 11269 (1993). Контроль - незагрязнённая почва (дерновый подзол).

1.3.4 Полевой эксперимент по оптимизации параметров фиторемедиацгси. Для эксперимента использовали специально подготовленные делянки (рис. 1), размещенные на бетонированном основании шламонакопителя, укрытом дополнительным дренажным слоем. В подготовленный в полевом эксперименте шлам вносили наполнители (фитомассу и/или опилки) и удобрения (3.5 г NH*N03 + 1 г суперфосфата на 1 кг шлама) в различных вариантах (табл. 2). Оценивали развитие овса Avena sativa L. по накоплению общей биомассы.

Таблица 2.

Схема вариантов деляночного опыта по оптимизации фиторемедиации в полевых условиях_______

N» делянки Наполнители, доза Удобрения, доза внесения,

'%, по объему) гЫ(РУкг сух шлама

1 ает 1г№кг + 0.6 гР/кг

2 опилки (10%) 1 г№кг + 0.6 гР/кг

3 опилки (20%) 1 г№кг + 0.6 г Р/кг

4 фигомасса (10%) 1 г№кг + 0.6гР/кг

5 фитомасса (20%) 1 гИ/кг + О.бгР/кг

б опилки (10%) + фитомасса (10%) 1 гЫ/кг + 0.6 г Р/кг

7 опилки (10%) + фитомасса (10%) ).5 г№кг + 0.3 г Р/кг

S опилки (10%) + фигомасса (10%) нет

9(контроль) нет пег

1.4 Методы анализа

1.4.1 Биологические методы анализа. Измерение дыхательной активности микробного сообщества шлама проводили посредством газохроматографического определения накопления С02 над образцом шлама в закрытом объёме, в стандартных аэробных условиях [Schinner, 1995]. Токсический потенциал шлама по отношению к растениям оценивали согласно стандартной методике определения токсичности почв ISO 11269 (1993). В качестве контроля использовали

Рис. 1. Каркас делянок для проведения опыта

незагрязнённую почву (выщелоченный чернозём). Для определения действия шлама на рост корней и накопление общей фитомассы также использовали адаптированный международный стандартный метод, применяемый для оценки фитотоксичности почв - ISO 11269.

1.4.2 Методы анализа физической структуры. Использовали стандартные методики определения физической структуры почв [Klute, 1986].

1.4.3 Методы анализа химического состава. Содержание бихромат-окисляемых компонентов в шламе определяли по Тюрину [Аринушкина, 70]. рН шлама определяли рН-метром Мультитест ИПЛ-113 в водном экстракте при соотношении шлам/вода 1/5. Содержание летучих компонентов определяли по стандартному методу, основанному на их улавливании (путём конденсации в холодильнике) после испарения из отхода при его кипячении с водой [Лурье, 1984]. Количество хлороформ-экстрагируемых веществ определяли путём исчерпывающей экстракции хлороформом в аппарате Сокслета. Для определения содержания фракций мальтенов (гексан-растворимых компонентов) и асфальтенов (гексан-нерастворимых компонентов) хлороформный экстракт переэкстрагировали гексаном в аппарате Сокслета.

1.5 Статистическая обработка данных.

В работе использовали стандартные пакеты программ Microsoft Office 2003 и 2007, OpenOffice (3.2.1, 3.3.2), LibreOffice (3.4.3). При описании и сравнении количественных признаков, характеризующихся нормальным распределением, использовали стандартный набор параметров: среднее арифметическое, стандартное отклонение, квадратичное отклонение. Нормальность распределения оценивали приближённо, по значениям эксцесса полученных массивов данных. Во всех вариантах р 0.05 принимали за достоверный уровень значимости. Представление результатов в графиках: среднее арифметическое и стандартное отклонение.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1 Химический состав и токсические свойства шламов.

Отходы характеризуются высоким содержанием углеводородов (компонентов, экстрагируемых хлороформом), на уровне 99.2±16.5 г/кг сухого веса для шлама ОАО "Казаньоргсинтез" и 280.5±8.7 для шлама ОАО "Нижнекамскнефтехим" (табл. 3). Исходная фитотоксичность шламов составляла 100%: контакт с массами шлама полностью подавлял прорастание семян, рост и развитие проростков. Для шлама ОАО "Казаньоргсинтез" ЕС50 (при разбавлении отхода незагрязнённой почвой) находилась на уровне 10-15% в тесте на прорастание семян овса. Токсичность водного экстракта необработанного отхода в тесте на прорастание семян овса составила 3-5%.

Таблица 3.

Характеристики шлама ОАО «Казаньоргсинтез» и шлама ОАО «Нижнекамскнефтехим»

Характеристика Значение

Шлам ОАО «Казаньоргсинтез» Шлам ОАО «Нижнекамскнефтехим»

Содержание органического углерода (бихроматчжисляемых компонентов), гС/кг 133.5±10.5 280.5±8.7

Содержание углеводородов (компонентов, экстрагируемых хлороформом), г/кг в том числе асфальтенов, г/кг 99.2±1б.5 48.5±0.2 254.6±10.4 7.5±2.!

Содержание летучих компонентов, г/кг 87.5±7.1 53.8±9.2

Общее содержание азота, гЫ/кг 4.2±2.5 7.1±0.3

рН водной вытяжки 8.4±0.2 8±0.2

Влажность, % 71±2 74±3

2.1.1 Влияние замораживания и оттаивания на обезвоживание шламов

2.1.2 Влияние замораживания и оттаивания на обезвоживание шламов в условиях центрифугирования

После воздействия замораживания и оттаивания ускоряется отделение водной фазы от массы шламов ОАО «Казаньоргсинтез» и ОАО «Нижнекамскнефтехим» в условиях центрифугирования (рис. 2).

п Длительность И Длительность

[А| центрифугирования, И центрифугирования,

Рис. 2. Отделение водной фазы от масс шлама ОАО «Нижнекамскнефтехим» (А) и ОАО "Казаньоргсинтез" (Б) при центрифугировании (350(^). 1 - исходный шлам, 2 - шлам после однократного замораживания и оттаивания, 3 - после пятикратного замораживания и оттаивания.

2.1.3 Влияние замораживания и оттаивания на обезвоживание шламов в условиях высушивания

После воздействия замораживания и оттаивания ускоряется обезвоживание шлама ОАО "Казаньоргсинтез" при высушивании на воздухе (рис. 3). Эффект но

отношению к шламу ОАО "Нижнекамскнефтехим" отсутствовал. Это указывает на то, что в дестабилизации структуры данных шламов под действием замораживания и оттаивания участвуй» различные механизмы.

60,0--

...... — Казаньоргеинтез, нес-

ходный

Казаньоргеинтез^ + -з/о

— НижиекамекнефтехйМ.

исходный

Нияшекамскнефтехим, + з/о

401,0 -

0 1 2 3 4 5 б 7 8 9 10 о 1 2 3 4 5. 6 7 8 9 И

Время экспозиции, Б Времг экспозитга,

сут. 1 с>т-

Рис. 2. Обезвоживание шлама ОАО "Казаньоргоинтез" в условиях высушивания.

Шлам размещался слоем толщиной 20 см с дренажом (А) и слоем толщиной 1 см без дренажа (Б). З/о — замораживание и оттаивание.

2.2 Минералогический состав шламов

Высокий уровень шумов от остаточных органических компонентов в образцах шламов обусловил невозможность количественной оценки полученных рентген-дифрактограмм' (рисунки 3, 4). В минеральной части, шлама ОАО «Нижнекамскнефтехим» преобладает кальцит (рисунок 3), надежно идентифицируются кварц и полевые шпаты, рефлексы от глинистых минералов - в частности, хлорита и слюды. Таким образом, в составе шлама присутствуют, помимо кальцита, и обычные породообразующие силикаты. Минералогический состав вилама ОАО «Казаньоргсинтсз» несколько отличается (рисунок 4). Основными минералами являются также кварц (преобладает) и кальцит. Значительные индивидуальные сигналы других минералов отсутствуют, хотя шумы ®г органических соединений могут скрывать достаточно значительные сигналы иллита-смектита в девой части спектра.

2.3 Воздействие замораживания и оттаивания на микрофлору шлама ОАО «Ихазаньоргсви гез»

2.3.1 Воздействие замораживания и оттаивание шлама на численность культивируемых микроорганизмов

Результаты учёта численности микроорганизмов на плотных средах (рис. 6) свидетельствуют, что под воздействием замораживания и оттаивания шлама ОАО "Казаньоргеинтез" происходит достоверное снижение численности аэробных гетеротрофных (снижение loglO с 6.2±1.1 до 4.5+0.4) микроорганизмов и бактерий группы кишечной палочки (снижение loglO с 3.8*0.7 до 2.2±0.6), численность углеводородокисляющих и азотфиксирующих микроорганизмов достоверно не изменяется, оставаясь на высоком уровне (log 10 численности после замораживания и оттаивания 4.3±0,6 и 3.3±1.3, соотвегственно).

I Реютен-дифрактограммы получены яа базе ФГУП ЦНИИ Геологии нерулных полезных ископаемых, г. Казань, анализ выполнен Шивкарёвым А.А.

Угол падения луча, 20"

Рис. 3. Рентген-дифрактограмма порошкового препарата шлама ОАО "Нижнекамскнефтехим". Обозначения: О - кварц, Са - кальцит, И - полевые шпаты, К -слюда.

Рис. 4. Рентген-дифрактограмма порошкового препарата шлама ОАО "Казаньоргсинтез". Обозначения: О - кварц, Са - кальцит, Мс - микроклин, АЬ - альбит.

■ Исходный шлам

И Шлам после замораживания и оттаивания

Группы микроорганизмов

Рис. 5. Изменение численности культивируемых

микроорганизмов различных

физиолого-биохимических групп в шламе Казаньоргсинтез (КОЕ) под воздействием замораживания и оттаивания. Группы

микроорганизмов и среды, использованные для их выделения: 1 - аэробные гетеротрофные микроорганизмы (среда Ш1А), 2 — бактерии группы кишечной палочки (среда Эндо), 3 - деструкторы гексадекана (солевая среда с гексадеканом), 4 - азотфиксаторы (среда Эшби).

2.3.2 Воздействие замораживания и оттаивания шлама на численность жизнеспособных микроорганизмов в тесте Когуре

Зафиксировано снижение численности микроорганизмов, способных к росту при внесении в среду дрожжевого экстракта, под воздействием замораживания и оттаивания (рис. 7). Получены лишь сравнительные данные (до и после замораживания); приведение данных к абсолютным значениям не представляется возможным ввиду специфики минеральной части шлама, обуславливающей невозможность проведения учёта клеток в камерах Горяева.

0 Шлам после замораживания и оттаивания

Рис, 6. Изменения численности жизнеспособных микроорганизмов в шламе ОАО "Казаньоргсинтез" по данным теста Когуре под воздействием замораживания и оттаивания

2.3.3 Воздействие замораживания и оттаивания иа дыхательную активность микрофлоры шлама

Воздействие замораживания я оттаивания вызывает достоверное снижение эмиссии углекислого газа образцами шлама, с 26.0±0.9 до 18±1.4 мг С02 /кг шлама в час (рис. 8), что характеризует снижение дыхательной активности микрофлоры под воздействием замораживания и оттаивания.

I Исходный шлам

Рис. 7. Изменение дыхательной активности микрофлоры шлама ОАО "Казаньоргсинтез" под воздействием замораживания и оттаивания.

И Шлам после замораживания и оттаивания

2.4 Воздействие замораживания и оттаивания шлама на токсические и генотокснческне свойства, состав водной фазы шлама

Изменения токсических свойств незначительны и затрагивают лишь слабое увеличение токсического эффекта водной фазы шлама ОАО "Казаньоргсинтез" по отношению к Ceriodaphnia affinis (рис. 8). Токсичность водной фазы обоих шламов по отношению к Paramecium caudatum не изменилась (рис. 8).

Изменений генотоксических свойств водной фазы шлама ОАО "Казаньоргсинтез" не зафиксировано, мутагенности (по превышению количества ревертантов над контролем более чем в 2 раза) не выявлено ни для исходного шлама, ни для шлама после замораживания и оттаивания (рис. 9 А).

Рис. 8. Токсические свойства водной фазы шлама ОАО "Казаньоргсинтез" и ОАО

"Нижнекамскнефгехим" до и после воздействия замораживания и оттаивания. 1 - исходный шлам ОАО "Казаньоргсинтез", 2 - он же после замораживания и оттаивания, 3 -исходный шлам ОАО

"Нижнекамскнефтехим", 4 - он же после замораживания и оттаивания. Токсичность по отношению к Ceriodaphnia affinis выражена в БКР10, по отношению к Paramecium caudatum - в процентах токсичности. Токсический эффект характеризовался по

обездвиживанию тест-объектов.

2.5 Результаты полевого эксперимента по подготовке шлама ОАО "Казаньоргсинтез" к биоремедиации

В ходе подготовки шлама к биологическому обезвреживанию было зарегистрировано снижение уровня его загрязнения (общего содержания бихроматокисляемых компонентов с 124.5±9.6 108.1±13, общего содержания углеводородов с 96.Ш5.0 до 83.7±7 г/кг), снижение влажности с 75±3 до 20±4% (табл. 4). Зафиксированы изменения физической структуры отхода: снижение плотности до 1.0±0.2, снижение водоудерживающей способности до 44±0.9%.

Образцы

¡2 Ceriodaphni a affinis

Parameciu т caudatum

150

100

m с p¡

S

Варианты

Рис. 9. Генотоксические свойства водной фазы шлама ОАО "Казаньоргсинтез" (А) и ДМСО-экстракта шлама ОАО "Казаньоргсинтез" (Б) до и после воздействия замораживания и оттаивания. 1 - положительный контроль (фурациллин), 2 - исходный шлам, 3 шлам после замораживания и оттаивания. Фоновая частота мутаций (в негативном контроле с внесением воды и ДМСО в соответствующих вариантах) принята за единицу.

Таблица 4.

Изменение химического состава и характеристик физической структуры шлама

Характеристика Исходный шлам Обработанный шлам

Содержание углеводородов, г/кг 96.1±15.0 83.7±7

Содержание бихромат-окисаяемых компонентов, гС/кг 124.5±9.6 108.1±13

Влажность, % 75±3 20±4%

Плотность, г/см' 1.6±0.1 1.0*0.2

Пористость, % 0 7б±1

Водоудерживакмцая способность, % 67±1.3 44±0.9

х у Л <4 Л Ш HW1U14 VJJIUU и ----------— ---' X

указывают на его значительную детоксикащко за этот период (таблицы 5, б). В исходном состоянии отход характеризовался 100% токсичностью по отношению к кукурузе, гороху и редису: контакт с массами шлама полностью подавлял прорастание семян, рост и развитие проростков кукурузы (Zea mays L.) и гороха (Pisum sativum L) EC50 (при разбавлении отхода незагрязнённой почвой) находилась на уровне 29±9% для кукурузы и 22±3% для гороха (табл. 5). Токсичность обработанного шлама составила от 34±5 до 29±3 в отношении прорастания семян и от 47±9 до 37±4% - ингибирования роста корней (табл. 5, 6).

2.6 Результаты подбора условий для активизации биологического обезвреживания шлама

2.6.1 Скрининг растений-фитомелиорантов

Испытанные растения продемонстрировали различную устойчивость к токсическому действию обработанного шлама. Наилучшей всхожестью семян в обработанном шламе обладали горох Pisum sativum (около 80%), ячмень Hordeum

Таблица 5.

Динамика фитотоксичности шлама в процессе обработки, тест на прорастание семян.

Токсичность

Длительность эксперимента 0 сут.' 7.сут 14 сут. 21.сут 28 сут.

Единица токсичности ЕС50, % Ингибирование, %

Кукуруза 29±9 35±4 44±3 65±2 29±3

Горох 22±3 33±5 40±4 73±2 34±5

Таблица 6.

Динамика фитотоксичности шлама в процессе обработки, тест на накопление биомассы корней.

Токсичность

Длительность эксперимента 0 сут. 7.сут 14 сут. 21.сут 28 сут.

Единица токсичности ЕС50, % Ингибирование, %

Кукуруза 18±4 21 ±1 36±5 65±3 47±9

Горох 23±6 33±1 42±7 72±4 37±4

vulgare (65%), овес Avena sativa (около 80%) и овсяница Festuca pratensis (65%) (рис. 10). В отношении накопления биомассы корней и побегов, большинство растений имели показатели на уровне 60-70%. По сумме значений всех трех параметров роста на обработанном шламе наиболее устойчивыми растениями являются ячмень, овес и овсяница (сем. Злаковые, Роасеа).

ta

□ Всхожесть семян,%

□ Биомасса корней, %

□ Общая биомасса,

Рис. 10. Показатели роста растений на подготовленном шламе ОАО «Казаньоргсинтез».

2.6.2 Дыхательная активность микрофлоры шлама при варьировании форм и доз удобрений и источника орошения

Максимальный уровень дыхательной активности микроорганизмов достигнут при совместном внесении аммиачной селитры (3.5 г/кг)и суперфосфата (1 гР/кг). на фоне дополнительного увлажнения очищенным химическим стоком из вторичных отстойников (рис. 11).

* С момента опаивания масс шлама

Овода водопроводная ■ очищенный химсток И иловая жидкость

Рис. 11. Дыхатель ная активность

микрофлоры обработанного шлама ОАО "Казаньоргсинтез"

Варианты

2.6.3 Развитие расгення-фитомелиоранта в обработанном шламе при внесении наполнителей и удобрений

Внесение удобрений в обработанный шлам стимулировало рост тестируемого растения-фитомелиоранта (овса Avena sativa L.) (рис. 12).

Рис. 12. Накопле ние биомассы овса Avena sativa L. при росте на обработанном шламе

i?

^ ^ .¿Г ^

N° /Г jf У Ч" У # jp J> У л? </ / ,</ # & У

При внесении 3,5 г NHfNCb и 1 г суперфосфата на 1 кг шлама накопление биомассы растений по сравнению с контролем (шламом без удобрений и наполнителей) увеличилось на 80%. Добавление любого из исследуемых наполнителей на фоне данного количества удобрений улучшает состояние растений-фитомелиорантов. Наилучшие результаты в отношении стимуляции развития овса Avena sativa L. (стимуляция роста около 170 %) получены в варианте с внесением смеси наполнителей и половинной дозы удобрений.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

3.1 Влияние замораживания и оттаивания на обезвоживание шламов

Установлено, что воздействие замораживания (при минус 14°С) и оттаивания вызывает дестабилизацию шламов ОАО «Казаньоргсинтез» и ОАО «Нижнекамскнефтехим», которая проявляется в ускорении разделения данных шламов на водную фазу и осадок при центрифугировании. Изменение свойств шлама ОАО «Казаньоргсинтез» под воздействием замораживания и оттаивания проявляется также в ускорении его обезвоживания в условиях высушивания. Отсутствие данного эффекта в отношении шлама ОАО «Нижнекамскнефтехим» указывает на то, что замораживание и оттаивание вызывает различные по своему механизму и/или масштабу изменения структуры данных шламов. По данным мировой литературы, в дестабилизации структуры водо-нефтяных эмульсий (и, в том числе, шламов) могут участвовать четыре различных механизма [Jean et al., 2001; Chen, Не, 2003; Lin et al., 2008].

Замораживание и оттаивание широко исследовано как приём для повышения эффективности обезвоживания различных субстратов; единичные публикации посвящены замораживанию и оттаиванию нефтешламов, также с точки зрения характеристик их обезвоживания. Однако, в мировой литературе данные о замораживании и оттаивании шламов, содержащих углеводороды, и последующих процессах естественного самоочищения шламов с точки зрения их подготовки к биологическому обезвреживанию отсутствуют.

Выявленное ускорение высушивания шлама ОАО «Казаньоргсинтез» после воздействия замораживания и оттаивания представляет значительный интерес с точки зрения подготовки данного отхода к биологическому обезвреживанию. Исходное состояние нефтешламов и шламов предприятий органического синтеза в виде вязкой однородной массы, в которой отсутствует поровое пространство [Chen, Не, 2003], ограничивает доступ воздуха в толщу этих отходов и, таким образом, эффективность его биологического обезвреживания. Замораживание и оттаивание, ускоряя обезвоживание шлама, ускоряет его переход в обезвоженное состояние твёрдого рыхлого субстрата. Данный переход кардинально улучшает газовый режим в толще шлама и открывает перспективы микробной деструкции компонентов шлама, снижения его загрязнения и токсичности. Это, в свою очередь, позволяет с минимальными затратами ускорить обезвреживание отхода.

Полученные результаты характеризуют замораживание и оттаивание как перспективный приём ускорения обезвоживания шлама ОАО «Казаньоргсинтез» в полевых условиях. Для осуществления замораживания и оттаивания шлама в условиях умеренного климата необходимо лишь смещение сроков размещения отхода на технологической площадке на осенний сезон.

3.2 Минералогический состав шламов

Высокое содержание остаточных органических компонентов в образцах шламов привело к тому, что количественная оценка полученных дифрактограмм оказалась невозможна — слишком высок уровень шумов. Однако, данные по минералогическому составу шламов на качественном уровне также представляют значительный интерес. В целом, в составе механических примесей шламов преобладают кальцит и распространённые породообразующие силикаты, представлены и вторичные глинистые минералы.

Преобладание кальцита в минеральной части шлама ОАО «Нижнекамскнефтехим» и его сравнительно высокое содержание в минеральной

части шлама ОАО «Казаньоргсшггез» играет важную роль в трансформации органических компонентов этих шламов. Общеизвестна важная роль Са-содержащих минералов в трансформации органического вещества почвы. Двухвалентные катионы кальция вносят наибольший вклад в образование мостиковых связей между отрицательно заряженными функциональными группами органических компонентов [Шинкарёв с соавт., 2007]. Подобного рода структурирование органических компонентов, с одной стороны, способствует организации структуры почвы на уровне микроагрегатов. С другой стороны, при этом может снизиться доступность органических компонентов для атаки микробными ферментами, как за счёт физической изоляции и ограничения доступа кислорода в объём микроагрегатов, так и за счёт снижения на несколько порядков скорости протекания ферментативных реакций при изменении геометрии субстратов (изгибе участков макромолекул при их сорбции на минеральных поверхностях, в том числе - с участием ионов кальция) [Шинкарёв с соавт., 2007].

ЗЛ Воздействие замораживавиа в отт аивания на микрофлору шлама

Проведенное исследование позволяет сделать вывод, что замораживание и оттаивание оказывает негативный эффект на микрофлору отхода Показано снижение численности культивируемых микроорганизмов двух физиолого-биохимических групп (аэробные гетеротрофные микроорганизмы, бактерии группы кишечной палочки), снижение численности жизнеспособных микроорганизмов по данным теста Когуре, снижение респираторной активности шлама. Негативный эффект замораживания по отношению микроорганизмы широко известен из данных литературы и основан на механическом повреждении компонентов клеток, прежде всего, клеточной стенки, растущими кристаллами льда [Parker et al., 2000]. Полученные данные, «по численность аэробных гетеротрофных культивируемых микроорганизмов в шламе ОАО «Казаньоргсшггез» снижается с 6.2±1.1 до 4.5±0.4, а численность деструкторов гексадекана не характеризуется достоверным снижением (log 10 численности после замораживания и оттаивания 4.3±0.б), представляют интерес с точки зрения дальнейшего биологического обезвреживания шлама. Сравнительно высокая остаточная численность микроорганизмов свидетельствует, что использование замораживания и оттаивания в ходе подготовки шлама к биологическому обезвреживанию не приводит к необходимости использования биопрепарата в ходе дальнейшего биологического обезвреживания шлама.

Необходимо отметить, что ранее микрофлора, обитающая в объёме шлама ОАО «Казаньоргсшггез», не подвергалась воздействию замораживания и оттаивания. Источниками микрофлоры шлама, образующегося в ходе первичной очистки сточных вод, являются собственно сточные воды предприятия, система их первичной очистки и усреднители шлама. Данные системы в штатном режиме работы не подвержены замораживанию. Кроме того, подавляющее большинство культивируемых микроорганизмов шламов представлено грамотрицателышми формами [Nikitina et al, 2003], и в литературе отмечено меньшая устойчивость грамотрицательных микроорганизмов к воздействию замораживания [Parker et al., 2000]. Для Escherichia coli, обитающей в активном иле, показано снижение log 10 численности с 2.6 до 0.92 уже при температуре замораживания минус 5°С. Таким образом, микрофлора шлама ОАО «Казаньоргсинтез» демонстрирует сравнительно высокую устойчивость к воздействию замораживания и оттаивания. Это может быть обусловлено тем, что механизмы выработки устойчивости к стрессу являются генерализованными. В случае микрофлоры шлама, приспособление к токсическому

стрессу может обеспечивать устойчивость к широкому кругу факторов. В частности, показано, что микроорганизмы, выделенные из нефтешлама, характеризуются повышенной устойчивостью к действию повышенных и пониженных температур, осмотическому стрессу [NikiiiDa etal, 2003].

3.4 Влияние замораживания а оттаивания шлама на токсические и генотокснческие свойства водной фазы шлама

В водной фазе исходного шлама присутствуют токсичные компоненты, что обуславливает ненулевой уровень зоотокеичносги. Изменения токсичности водной фазы шлама под воздействием замораживания и оттаивания незначительны и затрагивают лишь слабое увеличение токсического эффекта водной фазы шлама ОАО "Казаньоргсинтез" по отношению к Ceriodaphnia affinis. Возможный механизм изменения токсичности водной фазы - перераспределение компонентов шлама между водной и углеводородной фазами и поверхностью их раздела в ходе замораживания и оттаивания. Данные о увеличении токсичности по отношению к Ceriodaphnia affinis могут свидетельствовать о возможном переходе части токсичных компонентов шлама в водную фазу. Переход части поверхностно-активных компонентов шламов из поверхности раздела водной и углеводородной фаз под воздействием замораживания и оттаивания отмечен и другими авторами [Chen, Не., 2003].

Для водной фазы шлама ОАО "Казаньоргсинтез" в тесте Эймса не выявлена мутагенность (превышение частоты появления ревертантов над фоном более чем в 2,5 раза); достоверных изменений генотоксических свойств водной фазы под воздействием замораживания и оттаивания не выявлено. Генотоксичность экстракта шлама ОАО «Казаньоргсинтез» на основе диметилсульфоксида (ДМСО) также не претерпевает изменений. Таким образом, замораживание и оттаивание шлама не вызывает существенного изменения условий обитания микроорганизмов в его толще с точки зрения токсических и генотоксических свойств водной фазы отхода.

3.5 Результаты полевого эксперимента по подготовке шлама ОАО "Казаньоргсинтез" к биоремедиации

Зафиксированное снижение уровня загрязнения и токсичности шлама связано с воздействием комплекса факторов самоочищения отхода, ускоренных в контролируемых условиях обработки. В качестве основных действующих факторов можно выделить замораживание и оттаивание, обезвоживание шлама и деятельность активизирующейся микрофлоры отхода. В свою очередь, активизации микрофлоры способствовало преобразование шлама из состояния вязкой однородной массы в рыхлый твёрдый субстрат (при его обезвоживании), внесение удобрений и поддержание влажности шлама за счёт полива. Влияние замораживания и оттаивания на свойства шлама и населяющую его микрофлору складывается. из угнетения микрофлоры непосредственно после воздействия, и дальнейшего ускорения обезвоживания шлама и улучшения его физической структуры, способствующего активизации микрофлоры шлама. Достигнутое снижение уровня загрязнения и токсичности шлама чрезвычайно важно с точки зрения его последующего биологического обезвреживания. Снижение фитотоксичности до уровня значительно менее 100% позволяет культивировать на шламе растения-фигомелиоранты, без разбавления отхода. Таким образом, может быть осуществлено дальнейшее интенсивное биологическое обезвреживание отхода методом фиторемедиации. Необходимо отдельно отметить, что данные изменения свойств шлама достигнуты за счет простейшей обработки шлама, не связанной с

интенсивной эксплуатацией техники.

Принципиальное значение имеет тот факт, что изменения физической структуры шлама, достигнутые в ходе его обработки, имеют необратимый характер. Об этом свидетельствует снижение его водоудерживающей способности в ходе обработки с 66 до 44%. Стандартная методика определения водоудерживающей способности включает этап полного насыщения образца водой [Klute et al., 1986]. Снижение значений водоудерживающей способности шлама в ходе обработки равнозначно тому, что вторичное насыщение водой частично обезвоженного отхода не вызывает его обратного преобразования в состояние исходной стабильной эмульсии. Таким образом, шлам после однократного воздействия замораживания, оттаивания и последующего обезвоживания необратимо переходит в состояние рыхлого твёрдого субстрата. Это улучшает условия в толще отхода с точки зрения деградации загрязнений, дальнейшего снижения уровней его загрязнения и токсичности.

3.6 Условия для активизации биологического обезврежнванпя шлама

По данным скрининга растений-фитомелиорантов, наилучшими показателями развития в подготовленном шламе характеризуются ячмень Hordeum vulgare, овса Avena sativa и овсяницы Festuca pratensis. Из данных растений в качестве основного растения-фггомелиоранта был выбран овёс, ввиду его доступности. Значительные отличия в показателях развития между различными растениями обусловлены тем, что устойчивость растений к токсическим воздействиям видоспецифична и может различаться у представителей одного семейства, более того, различия в чувствительности к загрязнителю могут наблюдаться и в подвидах растений [Adam, Duncan, 2000; Liste, Prutz, 2006].

Применение доз удобрений, вызывающих максимальный уровень дыхательной активности микроорганизмов, в условиях фиторемедиации потребует дополнительных исследований. В частности, из данных литературы известно, что удобрения в дозе, оптимальной для микрофлоры (по дыхательной активности) оказываются токсичными для растений. В данной работе, подобный эффект был также выявлен, наилучшие результаты в отношении стимуляции развития овса Avena sativa L. (стимуляция роста около 70 %) были получены в варианте с внесением смеси наполнителей и половинной дозы удобрений. В случае подготовленного шлама ОАО «Казаньоргсинтез» именно при внесении половинной дозы внесения удобрений (1,5 г NH4NO3 и 0,5 г суперфосфата на 1 кг шлама) были зарегистрированы наилучшие показатели роста овса, что позволяет рекомендовать эту дозировку удобрений на фоне внесения наполнителей, для проведения фиторемедиации шлама ОАО «Казаньоргсинтез».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной работе на примере шлама ОАО «Казаньоргсинтез» впервые продемонстрирована возможность проведения подготовки углеводородного шлама к биологическому обезвреживанию за счёт инициации процессов его самоочищения. Изменение свойств шлама происходило под воздействием замораживания и оттаивания, последующего обезвоживания шлама и активизации микрофлоры отхода. В свою очередь, активизации микрофлоры способствовало преобразование шлама из состояния вязкой однородной массы в рыхлый твёрдый субстрат (при его обезвоживании), внесение удобрений и поддержание влажности шлама за счёт полива. За счёт действия данных факторов в полевых условиях достигнуто

снижение уровня загрязнения и токсичности шлама до уровня, совместимого с ростом растений-фитомелиорантов. Этот факт имеет принципиальное значение, поскольку позволяет осуществить дальнейшее интенсивное обезвреживание шлама с применением растений-фитомелиорантов без разбавления отхода. Тем самым показано, что использование замораживания и оттаивания и инициация физико-химических и микробиологических процессов самоочищения позволяет провести успешную подготовку шламов к биологическому обезвреживанию, несмотря на то, что непосредственные эффекты замораживания и оттаивания по отношению к микрофлоре были скорее отрицательными.

Таким образом, нами разработан новый способ обработки шлама, позволяющий преобразовать физическую структуру отхода, частично снизить уровень его токсичности и загрязнения до уровня, позволяющего культивировать расгения-фитомелиоранты и таким образом осуществить в дальнейшем его интенсивное биологическое обезвреживание методом фиторемедиации. Данный способ успешно прошёл патентование (патент №2421289, приоритет от 15.04.2009). Данный способ основан на естественных процессах самоочищения отхода, ускоренных за счёт минимальной обработки: распределения на технологической площадке при отрицательных температурах окружающей среды, внесения удобрений, рыхления и полива. По сравнению с аналогичными технологиями биологического обезвреживания (в частности, с многократным разбавлением масс шлама как способом подготовки шламов к биологическому обезвреживанию) данный способ характеризуется максимальной технологической простотой и, таким образом, минимальной стоимостью.

ВЫВОДЫ

1. Выявлена дестабилизация масс шлама ОАО «Казаньоргсинтез» под воздействием замораживания-опаивания, проявляющаяся в ускорении его обезвоживания при естественном высушивании на 26% за 10 суток; выявлено преобладание кальцита и распространённых породообразующих силикатов в минеральной фазе шламов.

2. Процедура замораживания и оттаивания не изменяет токсикологические свойства водной фазы шлама ОАО "Нижнекамскнефтехим" и незначительно увеличивает таковую в случае шлама ОАО "Казаньоргсинтез" по отношению к Ceriodaphnia qffinis; по отношению к Paramecium caudatum изменения токсикологических ссойств водной фазы шлама не зафиксированы. Генотоксический эффект водной фазы шлама в тесте Эймса отсутствовал как до, так и после процедуры замораживания и оттаивания; органическая фаза проявляла слабую генотоксичностъ.

3. Замораживание и оттаивание шлама ОАО "Казаньоргсинтез" вызывает достоверное снижение численности аэробных гетеротрофных (снижение log 10 с 6.2±1.1 до 4.5±0.4) микроорганизмов, численность деструкторов гексадекана достоверно не изменяется, оставаясь на высоком уровне (4.3±0.6).

4. Полевой эксперимент подтвердил закономерности изменения физико-химических характеристик шлама ОАО «Казаньоргсинтез»: шлам перешёл из состояния вязкой однородной массы в состояние рыхлого твёрдого субстрата с поровым пространством до 76% от объёма, его плотность снизилась с 1.6 г/см3 до 1.0 г/см5; уровень загрязнения углеводородами с 96.1±15.0 до 83.7±7 г/кг; фитотоксичности - на 1-2 порядка (с ЕС50 на уровне 18-29% до 29-47%

ингибирования).

5. Предложены методы ускорения биологического обезвреживания шлама ОАО «Казаньоргсинтез», включающие внесение нитрата аммония (1г МЩТОз/кг) и суперфосфата (0,5 г/кг), полив очищенными сточными водами, применение в качестве растения-мелиоранта овса (Avena saliva £.), Р007 которого благодаря вышеуказанным мероприятиям улучшается на 170% по показателю общей биомассы, что обеспечивает интенсификацию микробно-растительных взаимодействий в процессе обезвреживания шлама.

Публикации по теме диссертации в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Наумова Р.П. Предварительная оценка потенциала фиторемедиации твердых химических отходов / Р.П. Наумова, В.Н. Кудряшов, Т.В. Григорьева, P.P. Гафуров, И.Р. Мухаметшин, Р.Х. Хузаянов, А.А. Несмелое // Ученые записки Казанского государственного университета. Естественные науки. -2008. -Т.150, кн. 2. -С.155-166.

2. Наумова Р.П. Предобработка твердого химического отхода перед его биоремедиацией / Р.П Наумова, В.Н. Кудряшов, АЛ. Несмелое, P.P. Гафуров, И.Р. Мухаметшин, P.P. Баширов, Т.В. Григорьева // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе, 2008. - №4. - С.29-31.

Другие публикации по теме диссертации:

3. Пат. №2421289, Российская Федерация, МПК В09В 3/00, C02F 11/00, В09С 1/00. Способ подготовки шламов / Р.П. Наумова, А.А. Несмелое, Т.В. Григорьева // завяка № 2009114390/03; заявл. 15.04.2009; опубл. 20.06.2011, Бюл. № 17. - 5 с.

4. Якушева О.И. Новый подход к обезвреживанию нефтешлама с целью последующей фиторемедиации / О.И. Якушева, Т.В. Григорьева, Р.А. Галиев, А.А. Несмелое, Р.З. Юсупов, Р.П. Наумова; Казан, гос. Университет, г. Казань, 2006. -16 с. - Деп. в ВИНИТИ 11.01.2007, № 17-В2007.

5. Григорьева Т.В. Оценка потенциала биоремедиации твердых отходов нефтехимии / Т.В. Григорьева, Р.А. Галиев, А.А. Несмелое, Р.З. Юсупов, О.И. Якушева, Р.П. Наумова // Материалы российской школы-конференции молодых ученых «Экотоксикология: современные биоаналитические системы, методы и технологии»: сб. статей. - Пущино-Тула, 2006. - С. 90.

6. Якушева О.И. Структурирование и изменение физических параметров нефтешлама в условиях новой технологии его предобработки / О.И. Якушева, В.Н. Никонорова, В.П. Кичигин, А.А. Несмелое, Т.В. Григорьева, Р.П. Наумова И Тезисы III научной конференции "Промышленная экология и безопасность" в рамках VI Международного Форума "Нефть, газ, экология", 10 сентября 2008, г. Казань.-С. 45-51.

7. Nesmelov А.А. New technology of hydrocarbon sludge preparation before its bioremediation / A.A. Nesmelov, O.I. Yakusheva, R-P. Naumova, T.A. Demina // Abstracts of the 13th annual Symposium for Biology Students of Europe «SymBioSE 2009» «Biology: Expansion of Borders» 30 July - 8 August 2009, Kazan. - P. 121-122.

8. Naumova R.P. Estimation of petrochemical sludge remedial potential / R.P. Naumova, O.I. Yakusheva, T.V. Grigoryeva, A.A. Nesmelov, A.V. Laikov, F.V. Shirshikov // Abstracts of the XIV international conference «Microbial enzymes in biotechnology and

medicine».-Kazan, 5-7 June 2009. - Р.100-101.

9. Naumova R.P. Development of biotechnologies for industrial toxic wastes remediatio / R.P. Naumova, O.I. Yakusheva, T.V. Grigoryeva, A.A. Rizvanov, A.A. Nesmelov, A.V. Laikov // Abstracts of the XIV international conference «Microbial enzymes i biotechnology and medicine». - Kazan, 5-7 June 2009. - P.28-29.

10. Якушева О.И., Промышленные углеводородные отходы как источни биотехнологически ценных микроорганизмов / О.И. Якушева, В.Н. Никоноров: В.П. Кичигин, Т.В. Григорьева, A.A. Несмелое, Р.П. Наумова / Тезисы IV Межрегиональной конференции «Промышленная экология и безопасность» рамхах в рамках 16-й международной выставки «Нефть, газ, экология», 9 сентябр 2009 г, Казань. - С.67-74.

11. Соловьева В.В. Молекулярно-генетический анализ почвенного микробног сообщества нац. парка «Нижняя Кама» / В.В. Соловьева, Т.В. Григорьева, А.А Несмелое, JI.B. Блатт, АА. Ризванов // 14 Международная Пущинская школа конференция молодых ученых «Биология - наука XXI века»; 19-23 апреля 2010 i Сборник тезисов. - Пущино, 2010. - С. 263-264.

12. Несмелое A.A. Физическая гетерогенность и биоремедиация / A.A. Несмело! Р.П. Наумова, Л. Дао // VI Международная научная школа «Наука и инновации ■ 2011», 18-24 июля 2011 г. - Йошкар-Ола. - С. 387-392.

Автор выражает глубокую признательность своему научному руководителю - Д.6.Н., в.н.с Р.П. Наумовой за внимательное отношение к работе и неоценимую помощь на всех этапах работы or постановки проблемы до обсуждения результатов и подготовки текста работы, д.б.н., академик АН РТ О.Н. Ильинской за помощь в расстановке приоритетов и личный пример, Д-б.ц., проф Шинкареву A.A. за вдохновление, воспитание, знания н идеи, к.б.н., м.н.с. Т.В. Григорьевой з плодотворное сотрудничество и поддержку, кг.-м.н., сотруднику ФГУП ЦНИИ Геологии нерудны: полезных ископаемых Шинкареву A.A. за проведение рентген-дифрактометрического анализ минеральных фаз шламов, к.б.н. доц. НС. Карамовой, к.б.н., доц.. П.В. Зеленихину, кб.н., доц. А.Е Маргулис, за помощь в организации экспериментов. Особая благодарность ЛИ. Колпакову и все; сотрудникам кафедры за всестороннюю помощь и доброжелательную рабочую атмосферу.

Отзывы на автореферат просим высылать по адресу: Казань, 420008 ул. Кремлевская, 18, Казанский университет, отдел аспирантуры, Ученому секретарю Диссертационного совета Д 212.081.08 Абрамовой Зинаиде Ивановне í по факсу: (843) 238-76-01

Подписано в печать 29.02.2012. Форм. бум. 60x80 1/16. Печ. л. 1,5. Тираж 100. Заказ № 2902/1. Отпечатано с готового оригинал - макета в типографии «Вестфалика» (ИП Колесов В.Н.) 420111, г. Казань, ул. Московская, 22. Тея.: 292-98-92

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Несмелов, Александр Александрович, Казань

61 12-3/736

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Казанский (Приволжский) федеральный университет»

На права^-рукописи

НЕСМЕЛОВ АЛЕКСАНДР АЛЕКСАНДРОВИЧ

ИНИЦИАЦИЯ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ И БИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ САМООЧИЩЕНИЯ КАК СПОСОБ ПОДГОТОВКИ УГЛЕВОДОРОДНЫХ ШЛАМОВ К БИОРЕМЕДИАЦИИ

03.02.03 - микробиология

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель: доктор биологических наук, профессор Р.П. Наумова

Казань-2011

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ........................................................................................-........................5

ПОЛОЖЕНИЯ НА ЗАЩИТУ....................................................................................8

1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ............................................................................................9

1.1 Шламы, содержащие углеводороды...................................................................9

1.2 Химический состав шламов, содержащих углеводороды..............................11

1.3 Физическая структура шламов, содержащих углеводороды.........................12

1.4 Замораживание и оттаивание шламов, содержащих углеводороды..............14

1.5 Токсичность шламов, содержащих углеводороды..........................................18

1.6 Оценка токсичности объектов, содержащих углеводороды...........................20

1.7 Микрофлора шламов, содержащих углеводороды.........................................30

1.8 Биологические методы переработки шламов, содержащих углеводороды. .32

1.9 Подготовка шламов к биологическому обезвреживанию..............................34

1.10 Фиторемедиация объектов, загрязнённых углеводородами.......... ..............36

1.11 Факторы, определяющие эффективность биологического обезвреживания

углеводородного загрязнения...................................................................................42

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.........................................................................44

2 МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ.................................................................................44

2.1 Общая характеристика объектов исследования.................. ............................44

2.2 Отбор и подготовка проб..................................................................................45

2.3 Лабораторные эксперименты............................................................................46

2.3.1 Лабораторный эксперимент по оценке воздействия замораживания и оттаивания на скорость обезвоживания шламов при центрифугировании..........46

2.3.2 Лабораторный эксперимент по оценке воздействия замораживания и оттаивания на обезвоживание шламов в условиях высушивания.........................47

2.3.3 Анализ минералогического состава шламов..................................................48

2.4 Характеристика воздействия замораживания и оттаивания на микрофлору шлама..........................................................................................................................49

2.5 Характеристика воздействия замораживания и оттаивания шлама на токсические свойства, состав водной фазы шлама, генотоксические свойства водной фазы шлама и ДМСО-экстракта..................................................................51

2.6 Подготовка шлама к биологическому обезвреживанию в условиях полевого эксперимента..............................................................................................................52

2.7 Оценка дыхательной активности микрофлоры обработанного шлама при варьировании форм и доз удобрений и источника полива.....................................54

2.8 Скрининг растений-фитомелиорантов.............................................................54

2.9 Полевой эксперимент по оптимизации фиторемедиации..............................55

2.10 Методы анализа характеристик шлама..........................................................57

2.10.1 Биологические методы анализа.....................................................................57

2.10.2 Методы анализа физической структуры.......................................................59

2.10.3 Методы анализа химического состава....................... ...................................60

2.11 Статистическая обработка данных.................................................................61

3 РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ........................................................................62

3.1 Характеристика объектов исследования..................... ....................................62

3.2 Влияние замораживания и оттаивания на обезвоживание шламов..............64

3.2.1 Влияние замораживания и оттаивания на обезвоживание шламов в условиях центрифугирования...................................................................................64

3.2.2 Влияние замораживания и оттаивания на обезвоживание шламов в условиях высушивания..............................................................................................68

3.3 Характеристика минералогического состава шламов с точки зрения их физической структуры и процессов трансформации загрязнений........................69

3.4 Выбор объекта для дальнейших исследований..............................................75

3.5 Воздействие замораживания и оттаивания на микрофлору шлама..............76

3.5.1 Воздействие замораживания и оттаивания на численность культивируемых микроорганизмов шлама...........................................................................................77

3.5.2 Воздействие замораживания и оттаивания на численность некультивируемых микроорганизмов шлама..........................................................81

3.5.3 Воздействие замораживания и оттаивания на дыхательную активность микрофлоры шлама...................................... .............................................................83

3.6 Воздействие замораживания и оттаивания на токсические и генотоксические свойства, состав водной фазы шлама.........................................86

3.7 Полевой эксперимент по подготовке шлама ОАО "Казаньоргсинтез" к биологическому обезвреживанию............................................................................89

3.8 Подбор условий для активизации биологического обезвреживания шлама .....................................................................................................................................95

3.8.1 Скрининг растений-фитомелиорантов............................................................95

3.8.2 Дыхательная активность микрофлоры шлама при варьировании форм и доз удобрений и источника орошения.............................. ..............................................96

3.8.3 Изменение фитотоксичности обработанного шлама при внесении

наполнителей и удобрений в деляночном эксперименте.......................................99

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................................................................................102

ВЫВОДЫ.............................................•....................................................................107

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.......................................................................................109

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

БГКП - бактерии группы кишечной палочки

ВС - водоудерживающая способность

ДМСО - диметилсульфоксид

МПА - мясо-пептонный агар

З/о - замораживание и оттаивание

КОЕ - колоние-образующая единица

НШ — нефтешлам, шлам, содержащий нефть, её компоненты или нефтепродукты.

ПАВ — поверхностно-активные вещества ПАУ - полиядерные ароматические углеводороды УВ - углеводороды УД - удобрения ФМ - фитомасса

ЕС50 - единица токсичности, кратность разведения образца, вызывающая 50% ингибирование тест-объекта.

Vbasai - «базальное» дыхание, показатель активности микрофлоры Vsir - субстрат-индуцированное дыхание, показатель активности микрофлоры QR - метаболический коэффициент, показатель активности микрофлоры БКРю - безопасная кратность разведения, кратность разведения токсиканта, вызывающая 10% ингибирования тест-объекта.

ВВЕДЕНИЕ

В ходе первичной очистки сточных вод предприятий органического синтеза и нефтехимии образуются твёрдые отходы, загрязнённые углеводородами - шламы. Специфические свойства отходов данного типа обуславливают сложность их обезвреживания: существующие технологии переработки шламов характеризуются высокой стоимостью и нередко сопряжены с вторичным загрязнением окружающей среды.

Методы биоремедиации, с успехом применяемые для обезвреживания углеводород-загрязненных объектов [Dibble, Bartha, 1979], обладают спектром достоинств, из которых наиболее значимыми являются низкая экологическая опасность продуктов переработки и сравнительно низкая стоимость процесса. Однако, обезвреживание in situ шламов предприятий органического синтеза и нефтешламов с применением этих методов невозможно ввиду высокого уровня загрязнения отходов этого типа токсичными компонентами [Juvonen et al, 2000, Propst et al, 1999]. Дополнительными ограничениями в этом случае являются большая длительность биологической деградации значительного количества ксенобиотиков и неблагоприятные физико-химические свойства шламовых масс, обуславливающие отсутствие доступа кислорода в их толщу. Данные обстоятельства диктуют необходимость предварительной подготовки шламов к биологическому обезвреживанию.

В рамках наиболее известных технологий биоремедиации шламов -компостирования [Ouyang et al, 2005; Никитина с соавт., 2006] и ландфарминга [Prado-Jatar et al, 1993] в качестве приёма предварительной подготовки выступает смешивание масс отхода с большими количествами наполнителей (почвой, соломой, опилками, торфом и пр.). При этом, за счёт структурирования и разбавления снижается токсическое влияние компонентов отхода на биоту и усиливается аэрация его толщи, что ускоряет деградацию поллютантов [Rhykerd et al., 1999]. Однако такому способу подготовки шлама

присущи неотъемлемые недостатки, прежде всего - высокая стоимость, обусловленная затратами на наполнители и комплекс технологических операций.

В данной работе исследовали возможность проведения подготовки углеводородсодержащих шламов предприятия органического синтеза ОАО «Казаньоргсинтез» и нефтехимического предприятия ОАО «Нижнекамскнефтехим» к биологическому обезвреживанию за счёт комплексного воздействия абиотических и биотических факторов, лежащих основе естественных процессов их самоочищения, в том числе замораживания и оттаивания и аборигенной микрофлоры отходов. Наиболее перспективным методом дальнейшего биологического обезвреживания шламов, сочетающий сравнительно высокую эффективность с низкой стоимостью, является фиторемедиация, что обуславливает включение фитотоксичности в спектр показателей для оценки эффективности процесса подготовки шламов.

В связи с вышесказанным, целью данной работы стала разработка способа подготовки углеводородсодержащих шламов к биологическому обезвреживанию, основанного на направленном ускорении физико-химических и биологических процессов их самоочищения.

Решались следующие задачи:

1. Установить закономерности изменения физической структуры и химического состава щламов под воздействием замораживания и оттаивания и выявить основные компоненты в минералогическом составе твёрдой фазы шлама.

2. Определить токсические и генотоксические свойства водной фазы шлама до и после воздействия замораживания и оттаивания.

3. Охарактеризовать динамику изменений качественного и количественного состава и активности микрофлоры шламов под воздействием

замораживания и оттаивания.

4. Провести полевой эксперимент по подготовке шлама ОАО «Казаньоргсинтез» к биологическому обезвреживанию методом замораживания и оттаивания в масштабе промышленных испытаний.

5. Подобрать условия для ускорения биологического обезвреживания подготовленного шлама за счёт оптимизации доз азотных (нитрат аммония) и фосфорных (суперфорсфат) удобрений, скрининга растений-фитомелиорантов и внесения наполнителей.

ПОЛОЖЕНИЯ НА ЗАЩИТУ

1. Воздействие замораживания и оттаивания дестабилизирует физическую структуру углеводородного шлама ОАО «Казаньоргсинтез», ускоряет его обезвоживание в условиях высушивания до 26% в течение 10 сут, и не вызывает изменений токсических и генотоксических свойств водной фазы данного отхода, но вызывает снижение численности и активности микрофлоры.

2. С применением рентген-дифрактометрического анализа установлено, что в составе механических примесей шлама преобладают минералы, способные оказать значительное влияние на процессы трансформации органических компонентов шлама за счёт структурирующего действия ионов кальция.

3. В полевых условиях продемонстрировано, что воздействие комплекса процессов самоочищения шлама ОАО «Казаньоргсинтез», ускоренных в контролируемых условиях, позволяет достичь снижения уровня загрязнения и токсичности шлама до уровня, совместимого с ростом растений-фитомелиорантов и, тем самым, подготовить его к интенсивному биологическому обезвреживанию методом фиторемедиации.

4. Продемонстрирована возможность ускорения биологического обезвреживания шлама за счёт вовлечения микробно-растительных взаимодействий в процесс обезвреживания шлама при высеве овса Avena sativa L., внесении удобрений и агротехнической обработки.

1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 1.1 Шламы, содержащие углеводороды

Шламы — разнообразная группа отходов промышленности, представляющих собой осадки разнообразного происхождения. В данной работе объектом исследования являлись шламы, содержащие углеводороды (далее по тексту шламы). Наиболее распространённая группа подобных отходов - нефтешламы, осадки, загрязнённые нефтью или нефтепродуктами [Абросимов, 2002]. Основная масса нефтешламов (НШ) образуется при отстаивании сточных вод и при хранении нефти и нефтепродуктов в резервуарах [Абросимов, 2002]. Кроме того, шламы, содержащие углеводороды, образуются на предприятиях органического синтеза. Зачастую сырьём для синтезов служит природный газ, а не нефть, как например на одном из крупнейших в России предприятии органического синтеза ОАО "Казаньоргсинтез". В связи с этим, применение термина «нефтешлам» по отношению к шламам, образующимся на предприятиях органического синтеза, является некорректным. В рамках данной работы нефтешламы и шламы предприятий органического синтеза целесообразно обозначить общим термином «шламы, содержащие углеводороды». Рассматриваемые в данной работе отходы - шлам предприятия органического синтеза ОАО "Казаньоргсинтез" и нефтешлам нефтеперерабатывающего предприятия ОАО "Нижнекамскнефтехим" образуются в ходе первичной очистки сточных вод, содержащих углеводороды.

Основные компоненты шламов, образующихся при очистке сточных вод, содержащих углеводороды - собственно углеводороды, вода и механические примеси (минеральная часть - песок, глина и тому подобное) [Dibble, Bartha, 1979]. Соотношение данных компонентов, их состав и свойства шламов в целом значительно варьируют в зависимости от большого числа факторов, таких как источник происхождения конкретного шламов, тип

сырья и глубина его переработки, схема переработки, типа и состояния оборудования, применяемых регентов, длительности и условий хранения шламов. Как правило, шламы содержат углеводороды и воду в сравнимых количествах: содержание углеводородов, по разным оценкам, варьирует от 10 до 90% и более, воды - от 3 до 90% [Dibble, Bartha, 1979; Lazar et al, 1999; Zubaidy, Abouelnasr, 2010]. Содержание минеральной части варьирует от 2 до 46% [Dibble, Bartha, 1979]. В зависимости от происхождения нефтешламов, наблюдается некоторое смещение спектра их свойств в ту или иную область. Так, например, для нефтешламов, образующихся при очистке сточных вод, характерно повышенное содержание воды (не менее 50% [Абросимов, 2002]), в то время как нефтешламы, образующиеся в нефтяных резервуарах, в большинстве случаев представляют собой малообводнённые вязкие осадки с относительно высоким содержанием минеральных частиц и углеводородов. В зависимости от происхождения шламов, условий и длительности их хранения варьирует не только соотношение, но и химический состав их компонентов. В состав органических компонентов шламов могут войти как любые компоненты исходного сырья, так и любые прямые и побочные продукты технологических процессов. Состав органических компонентов шламов варьирует в зависимости от используемого сырья, типов и особенностей технологических процессов на предприятии, состояния оборудования и иных факторов.

Несмотря на одновременное содержание углеводородов и воды, углеводород-содержащие шламы не расслаиваются, а остаются стабильными. Это связано с тем, что компоненты шламов образуют стабильные дисперсные системы (эмульсии). Высокое содержание воды усложняет обработку и хранение этих отходов. Кроме того, высокая обводнённость шламов обуславливает консистенцию этих отходов в виде вязкой однородной массы, в которой отсутствуют поры. Это ограничивает доступ кислорода в объём отхода, и, наряду с токсичностью компонентов, ограничивает эффективность

биологического обезвреживания шламов.

1.2 Химический состав шламов, содержащих углеводороды

Специфической чертой углеводород-содержащих шламов, образующихся при первичной очистке сточных вод, является высокая доля углеводородов в составе их загрязнений. В состав органических компонентов шламов могут войти как любые компоненты исходного сырья, так и любые прямые и побочные продукты технологических процессов. Органические компоненты (прежде всего, компоненты нефти) на основании структурных и функциональных различий можно подразделить на четыре основные группы: насыщенные и ароматические углеводороды, а также N, S, О-содержащие компоненты: смолы и асфальтены. Углеводородное загрязнение, не связанное в своём происхождении с нефтью (например, загрязнение отходов органического синтеза), зачастую содержит компоненты, функционально аналогичные всем четырём перечисленным группам. Алифатические углеводороды в составе химических шламов представлены алканами, изоалканам