Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Интенсификация процесса биоремедиации нефтезагрязненных почв путем применения биосорбента на основе карбонизата избыточного активного ила

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Интенсификация процесса биоремедиации нефтезагрязненных почв путем применения биосорбента на основе карбонизата избыточного активного ила"

На правах рукописи

ВЕЛИК Екатерина Сергеевна

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССА БИОРЕМЕДИАЦИИ НЕФТЕЗАГРЯЗНЕННЫХ ПОЧВ ПУТЕМ ПРИМЕНЕНИЯ БИОСОРБЕНТА НА ОСНОВЕ КАРБОНИЗАТА ИЗБЫТОЧНОГО АКТИВНОГО ИЛА

03.02.08 - «Экология» (в химии и нефтехимии)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 О НОЯ 2014

Пермь 2014

005555519

005555519

Работа выполнена на кафедре «Охрана окружающей среды» в ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет».

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Рудакова Лариса Васильевна.

Официальные оппоненты: Собгайда Наталья Анатольевна

доктор технических наук, доцент,

Энгельсский технологический институт (филиал ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет»), профессор кафедры «Экология и охрана окружающей среды»; Шайхиев Ильдар Гильманович доктор технических наук, профессор,

ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет», заведующий кафедрой «Инженерная экология».

Ведущая организация ФГБУ «Уральский государственный научно-

исследовательский институт региональных экологических проблем», г.Пермь.

Защита состоится 24 декабря 2014 г. в 16.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.289.03 при ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» по адресу: 450062, Республика Башкортастан, г.Уфа, ул.Космонавтов, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» и на сайте www.rusoil.net.

Автореферат разослан 27 октября 2014 г.

Ученый секретарь Абдульминев Ким Гимадиевич

диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В процессах разведки, добычи, транспортировки, хранения и переработки нефти и нефтепродуктов происходит их попадание в окружающую среду, вследствие технологических потерь и аварийных ситуаций, что приводит к деградации природных экосистем, прежде всего, почвенных.

Для очистки нефтезагрязненных почв применяются различные технологии, отличающиеся по способу деструкции нефтепродуктов (механические, физико-химические, биологические), аппаратурному оформлению, длительности процесса, достигаемой эффективности, экономическим затратам. Распространенной технологией очистки нефтезагрязненных почв является технология биоремедиации, характеризующаяся длительностью процесса биодеградации углеводородов нефти (несколько вегетационных сезонов) и зависимостью эффективности процесса от климатических условий, вследствие чего, интенсификация данного процесса представляет важную экологическую и технологическую задачу. Перспективным направлением по интенсификации очистки объектов окружающей среды от нефти с помощью микроорганизмов является использование биосорбентов.

В качестве носителя для получения биосорбента используются различные природные (перлит, керамзит, силикагель, сапропель, торф и т.д.) и искусственные (полипропилен полиуретан, тефлон, фенолформальдегидные пенопласты) материалы. Широко распространены биосорбенты на основе торфа (Хабибуллина Ф.М., Арчегова И.5., Козьминых А.Н., Жучихин И.С.), на основе древесины (Ягафарова Г.Г., Карасева Э.В., Самков A.A.) и полимерных материалов (Рязанова Т.В., Федорова О.С.). В качестве носителей могут быть использованы некоторые промышленные отходы, отвечающие определенным критериям. Расширение базы вторичных материалов для получения биосорбентов, позволяет использовать ресурсный потенциал отходов, получить новые материалы с заданными свойствами, применяемыми в природоохранных технологиях, и минимизировать негативное воздействие отходов на объекты окружающей среды.

На предприятиях нефтехимического комплекса внедряются системы термического обезвреживания избыточного активного ила, в результате чего образуется значительное количество (до 7,5 % от исходной массы отходов) макропористого материала - карбонизата, размещение которого в окружающей среде в виде отхода нерационально и не решает проблему сокращения объемов отходов, поступающих на полигоны захоронения. В то же время по механическим и физико-химическим свойствам карбонизат может соответствовать требованиям, предъявляемым к носителю для иммобилизации микроорганизмов.

В литературных источниках отсутствуют данные по использованию карбонизата на основе избыточного активного ила в качестве носителя для иммобилизации углеводородокисляющих микроорганизмов и применения полученного биосорбента для интенсификации биоремедиации нефтезагрязненных почв, в связи с чем исследования в данном направлении представляют собой актуальную экологическую задачу.

Цель работы: минимизация воздействия объектов нефтехимических отраслей промышленности на почвенные экосистемы путем повышения эффективности технологии биоремедиации нефтезагрязненных почв (НЗП) за счет использования биосорбента на основе карбонизата, являющегося отходом процесса пиролиза избыточного активного ила биологических очистных сооружений предприятий нефтехимического комплекса.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Провести комплексный анализ технологий биоремедиации НЗП и способов их интенсификации, в том числе с использованием биосорбентов, обеспечивающих достижение экологически приемлемых остаточных концентраций нефтепродуктов в почвах. Выявить критерии, предъявляемые к носителям, являющимися отходами производства, для иммобилизации углеводородокисляющих микроорганизмов.

2. Обосновать возможность использования карбонизата - отхода процесса низкотемпературного пиролиза избыточного активного ила биохимических очистных

сооружений нефтеперерабатывающего предприятия - в качестве носителя для иммобилизации углеводородокисляющих микроорганизмов, выделенных из нефтезагрязненных почв;

3. Исследовать механизм иммобилизации УВОМ на поверхности карбонизата, разработать способ получения биосорбента, основанный на иммобилизации УВОМ на пористой поверхности карбонизата

4. Обосновать основные технологические параметры процесса иммобилизации микроорганизмов на поверхности карбонизата и разработать принципиальную технологическую схему получения биосорбента на основе карбонизата для очистки

нефтезагрязненных почв.

5. Оценить эффективность полученного биосорбента в технологии биоремедиации НЗП, определить условия проведения процесса очистки от нефтепродуктов; рассчитать технико-экономические параметры производства биосорбента на основе карбонизата и предотвращенный экологический ущерб с учетом интенсификации технологии биоремедиации НЗП за счет применения биосорбентаи утилизации вторичного отхода -

карбонизата.

Научная иовизна результатов исследования.

1. Доказана возможность использования макропористого сорбента (объем макропор 0,544 см3/г) - карбонизата, отхода низкотемпературного пиролиза избыточного активного ила биохимических очистных сооружений предприятий нефтехимического комплекса, в качестве носителя для иммобилизации углеводородокисляющих микроорганизмов.

2. Установлено, что закрепление углеводородокисляющих микроорганизмов размером 4-5 мкм на поверхности макропор карбонизата осуществляется по адсорбционно-адгезионному механизму. Сила адгезии составляет 1,4* 10" г*см2/с, число адгезии - 97,1 %.

3. Определены параметры процесса физической иммобилизации для получения биосорбента: биомасса сухих клеток микроорганизмов в исходной суспензии - не менее 1,0 г/л, общее количество микроорганизмов - не менее 107 КОЕ/мл. Установлено, оптимальное время для иммобилизации микроорганизмов - 5,0±0,5 часов, скорость потока суспензии

микроорганизмов - 50±10 мл/ч.

4. Доказана возможность использования биосорбента, полученного на основе карбонизата, в технологии биоремедиации НЗП и установлено повышение эффективности очистки НЗП, по сравнению с традиционными способами биоремедиации, в 1,7 раза.

Практическая значимость.

Предложен способ получения биосорбента на основе карбонизата, используемого для интенсификации биоремедиации НЗП.

Разработана технология получения биосорбента на основе карбонизата, отхода процесса пиролиза избыточного активного ила нефтеперерабатывающего предприятия, получены исходные данные для получения биосорбента в промышленном масштабе. Использование карбонизата в технологическом цикле производства биосорбента позволит снизить воздействие на окружающую среду за счет уменьшения площади земель, занимаемых размещаемыми в окружающей среде отходами производства.

Разработаны технические условия на биосорбент, полученный в результате иммобилизации УВОМ на карбонизате (ТУ 2162-001-02069065-2014), и технологический регламент на производство биосорбента на основе карбонизата и углеводородокисляющих микроорганизмов (ТР 02069065-01-2014).

Результаты исследований используются в учебном процессе подготовки бакалавров и магистров по направлению 280700 «Техносферная безопасность», профиль «Инженерная защита окружающей среды» в курсах лекций по дисциплинам «Экология», «Микробиология и основы биотехнологии», «Биотехнологические методы утилизации и переработки твердых бытовых и промышленных отходов», «Промышленная экология».

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1. Оценка физико-химических и токсикологических свойств карбонизата, образующегося в процессе пиролиза избыточного активного ила биологических очистных сооружений нефтеперерабатывающего предприятия и анализ основных направлений его использования.

2. Результаты исследования по обоснованию возможности использования карбонизата, в качестве носителя для иммобилизации микроорганизмов;

3. Результаты исследования по иммобилизации углеводородокисляющих микроорганизмов на поверхности карбонизата;

4. Основные закономерности и условия получения биосорбента на основе карбонизата;

5. Технологии получения биосорбента на основе карбрнизата и его использования в процессе биоремедиации НЗП с целью интенсификации процесса. Эколого-экономическая оценка предложенных технологических решений.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на: Всероссийской конференции «Экологические проблемы урбанизированнных территорий», г.Пермь, 2011 г.; IX, X Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Экология и научно-технический прогресс. Урбанистика», г.Пермь, 2011 г., 2012 г.; XIV Региональной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Химия. Экология. Биотехнология», г.Пермь, 2012 г.; XII Международной мультидисциплинарной научной Геоконференции «SGEM 2012», София, Болгария, 2012; Международной молодежной конференции «Экологические проблемы горнопромышленных регионов», г. Казань, 2012 г.; II Международной конференции «Окончательное захоронение как элемент современного управления отходами», Эспу, Финляндия, 2013; XI Международном конгрессе по управлению отходами и природоохранными технологиями ВэйстТэк-2013 Москва, 2013 г., Международной научно-технической конференции «Защита окружающей среды от экотоксикантов», г.Уфа, 2014 г.

Лнчный вклад автора заключается в разработке методик проведения исследований, анализе и обобщении литературных данных и результатов собственных исследований, в разработке технологической схемы получения биосорбента на основе карбонизата, оценке эффективности его применения в технологии биоремедиации НЗП.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 печатных работ, в том числе 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК.2 статьи опубликовано в журналах, входящих в базу данных Scopus.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы. Основное содержание изложено на 161 страницах машинописного текста, включающих 36 рисунков и 44 таблицы. Библиографический список включает 121 наименования цитируемых работ российских и зарубежных авторов.

Автор благодарен коллегам кафедры «Охрана окружающей среды» ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет», в частности: научному руководителю, профессору Л.В.Рудаковой за поддержку, наставничество и руководство над подготовкой работы; профессору ЯМ. Вайсману; профессору И.С. Глушанковой; выпускникам кафедры М.Е. Калашниковой и Г.А. Некрасовой за помощь в проведении экспериментальных исследований.

Настоящая работа выполнена в рамках тематического плана Министерства образования и науки Российской Федерации «Исследование закономерностей получения сорбентов и биосорбентов в процессах комплексной переработки углеродсодержащих отходов» (номер гос. рег.НИР 5.3974.2011).

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность получения и использования биосорбентов из углеродсодержащих отходов, определена цель исследований, сформулированы задачи, отмечена научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе диссертации рассматриваются вопросы, посвященные влиянию нефти и нефтепродуктов на почвенные экосистемы, представлены основные способы биологической очистки с помощью биопрепаратов. Показана необходимость интенсификации процесса биоремедиации НЗП, дана характеристика биосорбентам, описаны преимущества и недостатки их использования, представлены существующие на рынке биосорбционные материалы. На основании литературных источников сформулированы основные требования, предъявляемые к носителю. Проведен анализ существующих методов иммобилизации микроорганизмов, который показал, что в настоящее время к наиболее перспективным относится использование в качестве носителя для физической иммобилизации микроорганизмов методом сорбции углеродсодержащих отходов. Теоретическое изучение механизмов иммобилизации показало, что к основным характеристикам носителя, влияющим на эффективность получаемого биосорбента, относятся объем и размер пор, а также инертность материала по отношению к

прикрепляемым микроорганизмам.

Во второй главе представлены программа, объем и методы исследования. Для решения поставленных в работе задач был использован комплекс современных методов исследования, включающий проведение экспериментальных лабораторных и укрупненных лабораторных испытаний, теоретического и статистического анализов.

Объекты исследования: карбонизат - отход, полученный в результате низкотемпературного пиролиза избыточного активного ила биологических очистных сооружений нефтеперерабатывающего предприятия; нефтезагрязненные почвы (НЗП), углеводородокисляющие микроорганизмы (УВОМ), выделенные из НЗП; биосорбент, полученный на основе карбонизата.

Большое значение при иммобилизации микроорганизмов имеет объем макропор носителя, т.к. размер макропоры соответствует или больше бактериальной клетки,поэтому в экспериментальных исследованиях в качестве контроля использовали уголь БАУ-А (ГОСТ 6217-74), объем макропор которого составляет 0,8 см3/г, что в 1,5 раза больше, чем у карбонизата.

Основные этапы исследований, объекты, определяемые показатели, и применяемые методики представлены в табл.1.

Таблица 1. — Программа исследования

Наименование этапа исследования Объект исследования Показатели исследований Применяемые методики

1. Исследования физико-химических свойств карбонизата и характеристика тприпдпппдпкиг.пяюшихмиюоооганизмов, выделенных из нефтезагрязненных почв

Исследование возможности использования карбонизата в качестве носителя для иммобилизации микроорганизмов ■ Карбонизат; ■ БАУ-А (ГОСТ 6217-74). 1. Физико-химические характеристики: - насыпная плотность, - элементный состав; 2. Сорбционные характеристики - удельная поверхность, - пористость, - водопоглощение, - нефтеемкость. 3. Токсикометрический показатель - токсичность. ГОСТ 16190-70 Рентгеноспектральный микроанализ Электронная микроскопия ТУ 214 - 10942238 -0395 ПНДФТ 14.1:2:4.12-06 ФР. 1.39.2001.00283

Выделение УВОМ НЗП; УВОМ. 1. Микробиологические Микроскопический анализ

Получение накопительной культуры УВОМ Суспензия УВОМ. 1. Микробиологические: общее количество микроорганизмов метод Виноградского-Брида

2. Экспериментальные исследования по получению биосорбента на основе карбонизата и оценка эффективности его использования в технологии биоремедиации НЗП

Исследование физической иммобилизации микроорганизмов на пористой поверхности носителей статическими и динамическим способами Карбонизат; БАУ-А (ГОСТ 6217-74). 1. Микробиологические: - биомасса мо; иммобилизация на поверхности носителя; 2. Механические: - изменение массы в сухом и влажном виде, - поглощение суспензии УВОМ, - определение силы и числа адгезии УВОМ; 3. Гидромеханические: - скорость потока, время контакта суспензии с носителем 4. Химические: общее содержание нефтепродуктов. Определение биомассы взвешиванием Электронная микроскопия Гравиметрический анализ -II- Гравиме1рический анализ -II- РД 52.18.647-2003

Определение технологических параметров при получении биосорбента динамическим методом пропускания суспензии УВОМ через слой карбонизата в колонке Параметры колоночного реактора; Суспензия УВОМ на входе и выходе колоночного реактора; - Биосорбент.

Оценка эффективности полученного биосорбента методом биоремедиации - Исходная НЗП; Субстрат очищаемый биосорбентом и карбонизатом. 1. Физико-химические: - влажность, -Рн, общее содержание нефтепродуктов; 2. Микробиологические: - общее количество мо, - сапрофитные бактерии, - УВОМ, бактерии рода АгоЮЬайег, - актиномицеты, микроскопические грибы. ГОСТ 5180-84 ГОСТ 26423-85 РД 52.18.647-2003 Метод Виноградского-Брида Посев на МПА Посев на ср.Таусона Метод «почвенных комочков» на тв.ср.Эшби Посев на КАА Посев на Чапека

Определения условий и сроков хранения полученного биосорбента - Биосорбент. 1. Микробиологические - общее количество мо, - УВОМ, иммобилизация на поверхности носителя. Метод Виноградского-Брида Среда Таусона Электронная микроскопия

Статистическую обработку результатов проводили с помощью программы Microsoft Excel 2007.

В третьей главе представлена характеристика объектов исследования: карбонизата и УВОМ, которые были выделены из нефтезагрязненной почвы Бугурусланского месторождения Оренбургской области.

Карбонизат является отходом низкотемпературного пиролиза

избыточного активного ила биологических очистных сооружений нефтеперерабатывающего предприятия, представляет собой пористые гранулы размером 5-10 мм (рис.1.) и имеет, по данным Дьякова М.С., следующие технические

характеристики: насыпная плотность -385 г/дм3, водопоглощение - 61,5 %, продуктопоглощение (нефте- и маслоемкость) - 0,35-0,55 г/г, механическая прочность на истирание -50%.

Для определения элементного состава карбонизата с помощью Scanning Electron Microscope S-3400N Hitachi с приставкой для рентгеновского энергодисперсионного микроанализа фирмы «Брукер» был проведен рентгеноспектральный микроанализ карбонизата с указанием преобладающих химических элементов (рис.2).

10

8

6

4

2

О

На основании полученных данных в карбонизате обнаружены следующие химические элементы: железо - 17 %, кальций - 12,9 %, фосфор - 5,5%, кремний - 3,4 %, алюминий - 2,4 %, остальные элементы присутствуют в количестве менее 2 %. В образце отсутсвуют тяжелые металлы, такие как медь, свинец, кадмий, цинк, кобальт. В небольшом количестве присутствуют такие металлы, как хром, никель, титан, марганец; в большом количестве содержится железо.

Для оценки способности материала к иммобилизации клеток микроорганизмов определяли значения удельной поверхности и пористости с помощью прибора «8огЫРгер».Удельная поверхность карбонизата составила 39,3 ± 0,6 м2/г, суммарный объем пор - 0,6 см3/г. Физико-химические характеристики носителей представлены в табл.2.

Рис. I. Поверхность карбонизата (увеличение х 9 раз)

keV

Рис.2. Рентгеноспектральный микроанализ карбонизата

Таблица 2. - Физико-химические характеристики носителей

Показатель Единица измерения Значение показателя

БАУ-А (ГОСТ 6217-74) Карбонизат

Основная фракция мм 1-3.6 5-10

Насыпная плотность г/дм3 240 385

Механическая прочность на истирание % 60 50

Удельная поверхность м2 в 1 г 700-800 39,3 ± 0,6

Пористость (объем пор), не менее см3/г

общая см3/г 1,1 0,6

макропоры см3/г 0,8 3,544

мезопоры см3/г 0,08 0,056

микропоры см3/г 0,22 -

Влагоемкость см3/г 1,6 0,6

Токсичность Не токсичен 4 класс опасности

Физические свойства карбонизата уступают углеродному сорбенту, но достаточны для использования в качестве носителя для закрепления микроорганизмов на пористой поверхности, о чем свидетельствует значительное количество макропор (до 90,6 %), характеризующихся размерами, сопоставимьми с размерами клеток микэоорганизмов, иммобилизируемых на носителе (4-5 мкм).

В исследованиях (Сакаева Э.Х., Дьяков М.С.) было показано, что материал не фитотоксичен, имеет 4 класс опасности. С целью подтверждения имеющихся данных и установления острого токсического действия карбонизата по отношению к другим живым организмам проведены экспериментальные исследования методом биотестирования с использованием низших ракообразных дафний Daphniamagna Straus, которые показали, что полученный биосорбент на основе карбонизата не обладает токсическими свойствами.

Для иммобилизации использовали биомассу УВОМ, выращенную в ферментере Biostat A plus. Клетки выращивали на синтетической среде Таусона, при температуре 28±2 °С и pH -5,8-6,0. В качестве источника углерода использовали нефть Бугурусланского месторождения (плотность - 866,3 кг/м3, массовая доля воды - 0,14%, массовая доля механических примесей - 0,0064 %). Структуру микробиоценоза в суспензии с микроорганизмами сформировали представители родов: Pseudomonas putida, Pseudomonas facilis, Rhodococcus ruber, Rhodococcus fasciens, Mortierella sp. Входящие в состав суспензии микроорганизмы, выделенные из нефтезагрязненной почвы, опасного воздействия на людей и окружающую природную среду не оказывают, патогенетического значения для человека и животных не имеют, фитопатогенами не являются. По изученным литературным источникам представленные микроорганизмы широко распространены и выделяются из природной среды, в том числе почвы и воды.

Суспензию УВОМ использовали для иммобилизации в момент, когда основная масса клеток микроорганизмов перешла в капли нефти, а численность микроорганизмов пошла на спад. При этом биомасса сухих клеток микроорганизмов в суспензии составляла не менее 1,0 г/л. Микробиологическая картина суспензии УВОМ, используемой для закрепления микроорганизмов на носителях (карбонизат, БАУ-А), представлена на рис.3.

Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям по получению биосорбента на основе карбонизата и оценки эффективности его использования в технологии биоремедиации НЗП.

Иммобилизацию осуществляли статическим и динамическим способами. Статический способ иммобилизации микроорганизмов осуществляли с перемешиванием и без

перемешивания. В динамических условиях иммобилизацию микроорганизмов осуществляли путем пропускания суспензии УВОМ через сорбционную колонку.

Рис.3. Микробиологическая картина суспензии УЬим, используемои для _на поверхности носителей (увеличение х 800 раз)

Исследование состояния поверхности носителей после закрепления микроорганизмов проводили с помощью Scanning Electron Microscope S-3400N Hitachi с программным обеспечением. Микроорганизмы, иммобилизованные на поверхности карбонизата, представляли собой овальные клетки размером 0,3-5 мкм, палочковидные бактерии длиной от 3 мкм.

При статическом способе иммобилизации микроорганизмов без перемешивания происходило закрепление микроорганизмов на поверхности карбонизата (рис.4.). При этих же условиях на поверхности углеродного сорбента микроорганизмы не закреплялись, что

" ~ ' "-А.

Для изучения перемешивания иммобилизации экспериментальные

влияния скорости на процесс

провели исследования по

Рис.4. Иммобилизованные микроорганизмы на поверхности карбонизата, полученные в статике без перемешивания (увеличение х 3 тыс.раз)

сказалось на процессе

закреплению УВОМ статическим способом, изменяя скорости от 100 до 400 оборотов в минуту. Увеличение скорости перемешивания до 400 оборотов в минуту привело к снижению закрепленной биомассы на поверхности носителя, что могло быть связано с уменьшением силы адгезии между носителем и микроорганизмами. Наилучшие результаты по

иммобилизации (82 % закрепленной биомассы) были получены в варианте опыта со скоростью перемешивания не более 100 оборотов в минуту. Уменьшение скорости перемешивания закрепления клеток углеводородокиеляющих

благоприятно микроорганизмов.

Исследование динамического способа иммобилизации УВОМ проводили на лабораторных адсорбционных колонках при следующих параметрах процесса: скорость 20-

70 мл/ч, время 8-10 ч, объем 175-500 мл, исходная биомасса 1,0-2,2. По результатам электронной микроскопии установлено эффективное закрепление микроорганизмов на

Рис.5. Иммобилизованные микроорганизмы на поверхности носителей, г.олученные в

динамике методом пропускания суспензии УВОМ через слой носителя _(увеличение х 3 тыс.раз)__

Полученные в экспериментальных исследованиях результаты доказали возможность использования карбонизата в качестве носителя для закрепления УВОМ в силу его пористой структуры и шероховатой поверхности. Используемый в качестве контроля высокопористый сорбент - БАУ, близкий к карбонизату по объему макропор (0,8 см3/г) оказался малопригодным из-за слабой сорбируемости клеток на поверхности и недостаточной прочности их закрепления.

С целью доказательства адгезионного механизма закрепления микроорганизмов определяли величину и число адгезии. Сила адгезии составляет 1,4* 10"9 г*см2/с, число адгезии - 95,6-97,1 %. В результате проведенных экспериментов было установлено, что закрепление углеводородокисляющих микроорганизмов размером 4-5 мкм на поверхности макропор карбонизата протекает по адсорбционно-адгезионному механизму.

Результаты проведенных исследований показали высокую эффективность закрепления микроорганизмов на поверхности карбонизата динамическим способом путем пропускания суспензии УВОМ через колонку с носителем.

С учетом полученных параметров процесса иммобилизации в статических условиях построили график зависимости величины адсорбции от начальной концентрации клеток микроорганизмов в суспензии (рис.6.), характер которого говорит о том, что насыщение носителя клетками наступает при достижении концентрации суспензии УВОМ не менее 1 г сухих клеток в 1 л.

Для определения технологических параметров получения биосорбента на основе карбонизата динамическим способом с помощью сорбционной колонки были проведены эксперименты по иммобилизации при изменяющихся параметрах: объем прокачиваемого субстрата, продолжительность контакта носителя с суспензией УВОМ, скорость подачи субстрата.

О I.............................................................г...............................г..........-.......-V-—.....,............

0 1 2 3 4 5 6

Нячяльняяконцентрация клеток микроорганитаювв суспензии, г л

Рис.6. Зависимость количества адсорбированных клеток от исходной концентрации микроорганизмов в суспензии

Для определения необходимого времени иммобилизации и оптимального объема суспензии УВОМ была построена кривая зависимости времени иммобилизации от адсорбционной емкости носителя (рис.7.).

14

^ ?

10

Ч >• 4 < °

2 0

/

м

У

/

3 4 5 6 7 8

Время иммобилизации, ч

Рис.7. Зависимость времени иммобилизации от адсорбционной емкости носителя

Как видно из графика, значение адсорбционной емкости возрастает в течение 5 часов, после чего снижается, что свидетельствует о нецелесообразности увеличения времени контакта и достаточности времени иммобилизации.

Процесс удерживания микроорганизмов в носителе зависит от скорости потока суспензии УВОМ пропускаемой через слой адсорбента (рис.8.).

20 10

О 10 20 30 40 50 60 70 81) Скорость потока суспензии УВОМ, мл/ч

Рис.8. Зависимость удерживания клеток от скорости потока суспензии УВОМ

На основании представленных данных процент удерживание клеток увеличивается при скорости потока суспензии УВОМ от 20-50 мл/ч, после чего начинает снижаться. Этот факт подтверждается литературными данными, так при увеличении скорости подачи суспензии УВОМ между клетками и носителем пограничный слой жидкости уменьшается, увеличивая вероятность прямого контакта и иммобилизацию клеток на поверхности носителя. Однако, при больших скоростях пропускаемой суспензии УВОМ через слой носитгля количество иммобилизованных микроорганизмов будет уменьшаться, что связано с сокращением времени взаимодействия клеток УВОМ и носителя.

Для оценки жизнеспособности УВОМ и пригодности применения биосорбента в условиях длительного хранения, полученные динамическим способом, хранились в течение 2х лет. На рис.9. показана поверхность карбонизата с прикрепленными улеводородокисляющими микроорганизмами через два года после его получения.

Условия хранения биосорбента: температура - 20±4 °С, относительная влажность воздуха - 35±5 %, отсутствие света.

После длительного хранения состояние образцов исследовали под электронным сканирующим

микроскопом. определили число адгезии. По сравнению со свежеприготовленнным биосорбентом, число адгезии уменьшилось на 20 % и составило 77.8.

Полученные результаты

свидетельствуют о возможности сохранения эксплуатационных свойств Рис.9. Поверхность карбонизата с биосорбента в течение как минимум 2х

иммобилизованными УВОМ через 2 года после лет при соблюдении условий хранения, получения (увеличение х 3 тыс.раз) Экспериментальные исследования по биоремедиации НЗП проводили в лабораторных условиях в контейнерах емкостью 5,0 дм3. В ходе экспериментальных исследований на

протяжении 90 суток поддерживали постоянные условия: температура воздуха 20 ± 2°С; рН среды 6,0 - 7,0; освещение - естественное; влажность субстрата - 65 - 70%.

Объектом исследования служила почва, загрязненная нефтью Бугурусланского месторождения, с содержанием нефтепродуктов 40±5 г/кг. В качестве контрольных образцов использовали субстрат на основе НЗП и опила в соотношении 7:3 (вариант 2), субстрат на основе НЗП, опила и суспензии УВОМ в соотношении 7:3:1 (вариант 3) и субстрат из НЗП с добавлением карбонизата из расчета 10 г на 1 кг НЗП (вариант 4). Эффективность очистки почвы от нефтепродуктов через 3 месяца в исследуемых вариантах представлена в табл. 3.

Таблица 3 - Эффективность очистки почвы от нефтепродуктов через 3 месяца эксперимента____

Варианты способа очистки НЗП

№1 №2 №3 №4 №5

Рецептура Исходная почва НЗП : Опил НЗП: Опил: Суспензия УВОМ НЗП: Карбонизат НЗП: Биосорбент

Массовые соотношения, доля - 7:3 7:3:1 100:1 100: 1

Остаточное содержание НП через 1,5 мес., г/кг 39,8-38,5 33,9-34,2 32,8-33,2 34,2-34,8 28,4-28,8

Остаточное содержание НП через 3 мес., г/кг 37,0-37,8 25,7-25,9 22,5-24,0 24,9-25,3 16,2-16,4

Эффективность очистки, % 92,5-94,5 35,3-35,8 40,0-43,7 36,8-37,8 59,0-59,5

Обоснованием выбора соотношений компонентов исследуемых субстратов служили существующие технологические параметры процесса биоремедиации в климатических условиях Западного Урала (вариант 2), литературные данные по применению биосорбентов, а также экспериментальные данные (варианты 3,4,5).

Как показывают данные, эффективность очистки от нефтепродуктов составила 59,5 % в варианте 5 (НЗП : биосорбент - 100 : 1), что в 1,7 раза выше по сравнению с вариантом 2 (НЗП : Опил - 7:3), в 1,4-1,5 раз выше по сравнению с вариантом 3 (НЗП: Опил : Суспензия УВОМ - соотношение 7:3:1) и в 1,6 раз выше по сравнению с вариантом 4 (НЗП : Карбонизат - 100: 1).

Результаты микробиологического анализа субстратов приведены в табл.4. По сравнению с исходным субстратом, количество УВОМ и микроскопических грибов возросло практически во всех исследуемых вариантах, появились бактерий р. Аго1оЬас1ег, а количество олигонитрофилов уменьшилось в десятки раз. В опытных вариантах (2-5), по сравнению с исходным субстратом, количество УВОМ увеличилось в 1,5-2,0 раза, появились микроскопические грибы, что свидетельствует об интенсификации процесса биодеструкции углеводородов нефти. Появление бактерий р. АгоГоЬас/ег указывает на снижение токсичности субстрата.

Полученные результаты свидетельствуют об эффективности применения биосорбента на основе карбонизата в технологии биоремедиации нефтезагрязненных почв на технологических площадках. В соответствие с имеющимся регламентом на технологию биоремедиации, НЗП размещают равномерно по площади рабочей зоны толщиной слоя без учета изолирующего слоя не более 30 см, вносят удобрения и проводят агротехнические мероприятия, после чего равномерно по площадке размещают биосорбент.

Таблица 4 - Микробиологический анализ субстратов через 3 месяца

Варианты способа очистки НЗП

№1

№2

№3

№4

№5

Рецептура

Исходная почва

НЗП : Опил

НЗП: Опил: Суспензия УВОМ

НЗП: Карбонизат

НЗП: Биосорбент

Общее количество микроорганизмов, кл/г

6,4-105

3,8-10

5,2-10'

3,9-105

9,1 105

Сапрофитные бактерии, КОЕ/г

(5,4 ± 0,7) 107

(5,4 ± 0,7) 107

(5,2 ±0,7) 107

(2,5 ± 0,5) 107

(3,5 ± 0,6) 107

УВОМ, выросшие на среде К, КОЕ/г

(4,5 ±2) 106

(2,8±0,2) 108

(3,3 ± 0,2)108

(2,9 ± 0,16)108

(4,3±0,18)10

УВОМ, выросшие на среде Таусона, КОЕ/г

(1,65 ±0,4) 107

(1,6 ±0,1) 108

(0,5 ±0,1) 10®

(2,1 ±0,2) 10'

(3,3 ± 0,2) 10®

Бактерии р. АгоЮЬаМег, % обрастания комочков

85

95

95

90

100

Олигонитрофилы, КОЕ/г

(1,3 ±0,11) 10®

(9,7 ± 0,9) 107

8,2 ± 0,9) 107

(3,7±0,6)107

(4 ±1,8) 10"

Актиномицеты, КОЕ/г

(1,1 ±0,3) 109

(1,6 ±0,1) 108

(1,4±0,3)10

(1,7±0,2)10

(1,5±0,3)10

Микроскопические грибы, КОЕ/г

Отсутствую

Отсутствую

(0,5 ±0,1) 106

(0,5 ± 0,7) 106

(2,0 ±1,3) 106

На основании полученных экспериментальных данных доза вносимого биосорбента составляет 1-2 тонны на 1 га нефтезагрязненной площади в зависимости от концентрации нефтепродуктов, но не более 50 г/кг. Расчетами установлено, что при рекомендованной дозе внесения биосорбента концентрация металлов в почвах увеличится незначительно и останется в пределах нормативных требований. Так, содержание серы увеличится на 1 % и составит 100 мг/кг (валовое содержание) при ПДК 160 мг/кг (валовое содержание).

В пятой главе представлены технико-экономические параметры производства биосорбента на основе карбонизата, используемого для интенсификации технологии биоремедиации нефтезагрязненных почв, рассчитан предотвращенный экологический ущерб при использовании биосорбента и карбонизата. Принципиальная технологическая схема производства биосорбента приведена на рис.10.

Гусшгш

Рис. 10. Принципиальная технологическая схема производства биосорбента: 1 - инокулятор; 2,5,8 - насос, 3,4 - ферментер, 6 - адсорбер, 7 - сушилка Блок-схема производства биосорбента с указанием материаг/ьных потоков представлена на рис.11.

питательная ореда 0.24 т

По" ¿неина.« суспензия..... е.ое?

I Грнготовленне посевного материала

1 оееглзой матер и ал 0,18

Э

пига?вг***«ая сред»*

0,12 т

« утпм-ицмя

ПИГЙГ<ЗЛ|.ИЙ« I 1.8 Г

ВОД.<5 ДО» прсмывяи ^«боруЯО^ЗНИР 0,1 Т

Нефть

ВОДЙ ПС>ЗМО1йкв 5>бОруД»В8Н«Я 1 г

Воля для ПЮМУВ^

оборудования

Первичная ферментация р! [ 5.8-6,0 Т~2&*2 С. периодичность мешалки 100±Ю об/мин

ДТоо

»сеад 305Ч матер нал

1,8 »

5

Сусетешш тш-рааргттзшж 1633 т

Ф из и ч сс к &я и м м об и л из&ии я на пористой поверхности матрицы выделенных культур рН~ 5,0-6,9, Т~22 ±2 С

Бносор&ент с \ влажностью 55-66 %} 1,45 г /

Гладкая фермешпщия рН- 5»8-6.0 Т™н28±2 С, периодичность мешалки 100±И>

сточные воды с? ПРО«йЫШС| оборудован*!*

Вы^асш 1-8:

Сге>тые веды ст промывки оборудования 1 т

| Слегка стогны». |

| акха I

Суспензия * шмерооргаимямою 14,7

Сточмдо нпды аг прдоыдем •абйруйойаии»»

Очистка егтенны*

Оброс ?ГТ»ЧММ9

Сушка

да Пареза) сшдм 0,45 т

БИОООрбеНТ С | НЛЙЖН остью 15-20 % |

V ' * у

Фасовка и упаковка

Хранение

Рис.11. Блок-схема производства биосорбента

Себестоимость получения биосорбента на основе карбонизата в ценах 2014 года составит 95 990,8 руб/т при инвестиционных издержках в 14,6 млн.рублей. При реализации технологии биоремедиации с помощью биосорбента на основе карбонизата предотвращенный экологический ущерб от загрязнения почв химическими веществами составит 7,8 млн. руб./год.

выводы

1. В результате внедрения на предприятиях нефтехимического комплекса системы термического обезвреживания избыточного активного илаобразуется значительное количество (до 7,5 % от исходной массы отходов) макропористого материала - карбонизата. Использование карбонизата избыточного активного ила в качестве биосорбента, применяемого в технологии биоремедиации НЗП, позволит сократить объемы складируемых в окружающей среде отходов и наиболее полно использовать их ресурсный пэтенциал.

2. Доказана возможность использования карбонизата, отхода процесса низкотемпературного пиролиза избыточного активного ила, в качестве носителя для иммобилизации углеводородокисляющих микроорганизмов с целью получения биосорбента. Карбонизат по своим физико-химическим (удельная поверхность - 39,3 ± 0,6 м2/г, суммарный объем пор - 0,6 см3/г) и сорбционным характеристикам (влагоемкость - 0,6 см3/г, нефтеемкость - 0,55 г/г) является хорошим макропористым материалом. Карбонизат имеет четвертый класс опасности.

3. Установлен адсорбционно-адгезионный механизм закрепления углеводородокисляющих микроорганизмов размером 4-5 мкм на поверхности карбонизата за счет макропористой структуры (объем макропор 0,544 см3/г) и шероховатой поверхности. Сила адгезии составляет 1,4* 10"9 г* см2/с, число адгезии -97,1%.

4. Определены параметры процесса физической иммобилизации микроорганизмов на поверхности карбонизата адсорбционным методом: биомасса сухих клеток микроорганизмов в исходной суспензии - не менее 1,0 г/л, общее количество микроорганизмов - не менее 107 КОЕ/мл, время пропускания суспензии УВОМ через слой носителя - 5,0±0,5 часов, скорость потока суспензии микроорганизмов - 50±10 мл/ч.

5. Разработана принципиальная технологическая схема производства биосорбента, полученного из карбонизата и углеводородокисляющих микроорганизмов. Себестоимость получения биосорбента на основе карбонизата в ценах 2014 года составит 95 990,8 руб/т при инвестиционных издержках в 14,6 млн.рублей.

6. Доказана возможность использования биосорбента на основе карбонизата в технологии биоремедиации НЗП и установлено повышение эффективности очистки НЗП, по сравнению с традиционными способами биоремедиации, в 1,7 раза. Доза вносимого биосорбента составляет 1-2 тонны на 1 га нефтезагрязненной площади в зависимости от концентрации нефтепродуктов, но не более 50 г/кг, при этом концешрация тяжелых металлов в почве не превысит установленных нормативных значений. При реализации технологии биоремедиации с помощью биосорбента на основе карбонизата предотвращенный экологический ущерб от загрязнения почв химическими веществами составит 7,8 млн. руб./год.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Велик Е.С., Рудакова Л.В. Исследование физической иммобилизации углеводородокисляющих микроорганизмов на пористой поверхности карбонизата // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. - 2012. - № 7. - С 10-14.

2. Велик Е.С., Калашникова М.Е., Рудакова Л.В. Оценка эффективно;™ применения биосорбента на основе карбонизата в процессе деструкции углеводородов нефти // Теоретическая и прикладная экология. — 2013. — № 1. — С. 22-26.

3. Рудакова Л.В. Вайсман Я.И. Велик Е.С. Технологические основы получения биосорбента на основе модифицированных углеродсодержащих отходов для очистки нефтезагрязненныхпочв//Нефтяное хозяйство. -2013. -№ 9.-С. 113-117. (Scopus).

4. Велик Е.С., Рудакова Л.В. Получение биосорбента на основе карбонизата для очистки нефтезагрязненных почв, грунтов // Экология и промышленность России. - 2013. -№ 11.-С. 48-52.

Публикации в других изданиях:

5. Жданова Е.С. (Велик), Рудакова JI.B. Биосорбенты из углеродсодержащих отходов, используемые в природоохранных технологиях // Экологические проблемы урбанизированнных территорий: материалы всерос. конф., г.Пермь, 16-18 марта 2011 г./ Перм.гос.техн.ун-т. - Пермь: Изд-во ПГТУ, 2011. - С. 96-102.

6. Жданова Е.С. (Велик), Рудакова JI.B. Обоснование возможности получения биосорбентов для ликвидации нефтяных загрязнений природных объектов // Вестник ПГТУ. Урбанистика. - 2011. - № 3. - С. 97-107.

7. Жданова Е.С. (Велик), Рудакова JI.B. Использование углеводородокисляющих микроорганизмов при ликвидации нефтяных загрязнений почв // Экология и научно-технический прогресс. Урбанистика: материалы IX Всерос. научно-практич. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых [г.Пермь, декабрь 2011г.] / Перм. нац. исслед. политехи, ун-т. - Пермь: Изд-во ПНИПУ, 2011. - С.26-29.

8. Велик Е.С., Зверева В.В., Рудакова Л.В. Эколого-экономический анализ производства и использования биосорбентов // Химия. Экология. Биотехнология-2012: тез. докл. XIV регион, науч.-практ. конф. студентов и мол. ученых (г.Пермь, 18-19 апр. 2012г.) / Перм. нац. исслед. политехи, ун-т. - Пермь: Изд-во ПНИПУ, 2012. - С.102-104.

9. Rudakova L., Glushankova I., Belik E.Investigation of immobilization regularity for hydrocarbon oxidizing microorganisms on matrix obtained from carbon-containing waste // 12th International Multidisciplinar Scientific GeoConference SGEM 2012: conf.proc., Albena, Bulgaria, 17-23, June, 2012 / Min.of environment and eater Bulgaria, Bulg.acad. of sciences, Acad, of sciences of the Czech Rep., Russ.acad. of sciences [et. al.]. - Sofia, 2012. - Vol.V. - P. 533-539.(Scopus).

10. Рудакова JI.B., Велик Е.С. Использование углеродсодержащих отходов в качестве матрицы для получения биосорбентов // Экологические проблемы горно-промышленных регионов: сб.докл. Междунар. молодежной конф. [г.Казань], 12-13 сент. 2012г./ М-во образ, и науки РФ, Казан.нац.исслед.технол.ун-т. - Казань: Изд-во КНИГУ, 2012. - 269 с. - С.207-211.

11. Belik E.S., Rudakova L.V., Glushankova I.S. The possibility of biosorbents from carbon-containing waste // ISWA Beacon: 2nd Intern. Conf. on Final Sinks: Sinks a Vital Element of Modern Waste Management, 16-18 May 2013, Espoo, Finland/Aalto University School of Engineering [et al.]. - Helsinki, 2013. - P.284.

12. Калашникова M.E., Велик E.C., Рудакова JI.B. Исследование способов иммобилизации углеводородокисляющих микроорганизмов // Экология и научно технический прогресс. Урбанистика: материалы X Всерос.науч.-практ.конф.студентов, аспирантов и молодых ученых / М-во образования и науки Рос. Федерации, Перм. нац. исслед. политехи, ун-т, Автодор. фак. - Пермь: Изд-во ПНИПУ, 2013. - С. 391-395.

13. Калашникова М.Е., Велик Е.С., Рудакова Л.В. Применение карбонизата в качестве матрицы для биосорбента // Твердые бытовые отходы: системы управления и технические решения: сб. докл. Междунар. ассоц. по твердым отходам (ISWA), г. Москва, 28 - 29 мая 2013г./ ISWA Intern. Solid Waste Assoc. - Москва: SIBICO Intern. Ltd., 2013 - электрон, оптич. диск (CDR). - 4 с.

14. Калашникова М.Е., Велик Е.С., Рудакова Л.В. Исследование способов адсорбционной иммобилизации углеводородокисляющих микроорганизмов на карбонизате// Экология и научно технический прогресс. Урбанистика: материалы XI Всерос.науч,-практ.конф.студентов, аспирантов и молодых ученых / М-во образования и науки Рос. Федерации, Перм. нац. исслед. политехи, ун-т, Автодор. фак. - Пермь: Изд-во ПНИПУ, 2014. Т.1.-С. 76-84.

15. Велик Е.С., Рудакова Л.В. Исследование возможности получения биосорбента на основе модифицированного углеродсодержащего отхода // Защита окружающей среды от экотоксикантов (14-15 апреля 2014 г.): сб. научных трудов / редкол.: Г.Г. Ягафарова [и др.] -Уфа: РИЦ УГНТУ, 2014. - 290 с.

Подписано в печать 23.10.2014. Формат 60x90/16. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 120 экз. Заказ № 1542/2014.

Отпечатано с готового оригинал-макета в издательстве Пермского национального исследовательского университета. Адрес: 614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29., к. 113. Тел. (342)219-80-33