Биодеградация нефти

Калюжин В.А.

Добыча нефти, транспорт и переработка ее часто связаны с утечкой углеводородов, что приводит к ухудшению экологической ситуации. Технические средства не способны обеспечить полной очистки загрязненных объектов. Существенную помощь в решении вопроса очистки территории от нефти могут оказать биологические средства.

Поскольку представители микрофлоры, в сравнении с другими биообъектами, обладают наибольшей метаболической активностью, то очевидно, что данная форма жизни способна наиболее быстро ликвидировать замазученность.

В отношении к микробиологическому сообществу аварийный разлив нефти может рассматриваться как внезапное обогащение среды их обитания источником углерода и энергии. В норме в окружающей среде всегда присутствуют факультативные биодеструкторы нефти. Вместе с тем, там же имеются виды паразитирующие на деструкторах нефти, что существенно снижает скорость биодеградации нефти.

Для оптимизации процесса биодеградации нефти необходимо решить следующие вопросы:

1. Способ должен быть экологически чистым.

2. Для обеспечения физиологического баланса кроме имеющегося источника углерода и энергии необходима добавка источников азота, фосфора, калия, магния.

3. Необходимо обеспечить аэрацию, так как разложение нефти наиболее эффективно в аэробных условиях.

4. Обеспечить численное преимущество для биодеструкторов и защитить их от паразитирующих видов.

5. Создать оптимальную концентрацию нефти.

6. Обеспечить необходимый уровень pH и влажности.

Поставленные вопросы решаются следующим путем:

Экологическая чистота достигается использованием аборигенной культуры. Из природного сообщества методом селекции, в проточном хемостатном режиме или методом периодического культивирования, выделяется наиболее активная компонента. Тем самым достигается экологическая чистота, без интродукции посторонних видов.

Физиологический баланс обеспечивается внесением минеральных удобрений в соотношении 3-8 N : 1-2 P : 1-2 K : 0,01 - 0,02 Mg. Наиболее выгодно в качестве источника азота использовать аммиачную селитру. Так как в сравнении с другими источниками азота: карбимидом, сульфатом аммония, нитратом натрия расход аммиачной селитры в 1,5 - 2 раза меньше. Кроме того, аммиачная селитра наиболее дешевый источник азота.

Аэрация достигается вспашкой грунта со снижением гравиометрической плотности на 10-30%. Численное преимущество достигается внесением культуры нефтеусваивающих микроорганизмов в дозах 3-500 мг на 1дм3 грунта. Рабочий объем культуры нарабатывается на микробиологических грядках. Защита нефтяных деструкторов от паразитирующих видов обеспечивается пористым носителем: торфом, опилками и другими материалами с развитой поверхностью. Для этой цели биологический материал выращивается на грядках из соответствующего материала. Микроорганизмы размножаясь в микропорах в иммобилизированном состоянии недоступны для паразитирующих видов. Так как линейные размеры паразитирующих видов значительно больше размера микропор.

Опытным путем было установлено, что биодеградация нефти наиболее эффективна при концентрации ее до 20-25% по весу безводного образца. Если поверхностная концентрация нефти превышает оптимальную, то производится либо откачка избытка нефти или глубинная вспашка, для смешивания с менее загрязненными горизонтами.

Необходимый уровень pH: pH5 - pH8 достигается за счет использования в качестве минеральной добавки в виде диаммоний фосфата. Последний имеет высокую буферную емкость и поддерживает оптимальный уровень pH. Возможно внесение так же раскислителей. Наиболее выгодно использование доломита. Так как доломит одновременно является источником магния и вместе с тем, ионы магния, в меньшей степени снижают доступность источника фосфора для микрофлоры, чем ионы кальция.

Содержание, доступной для микроорганизмов, воды на заболоченной территории не является проблемой. Однако, в засушливых местах, требуется до 3-4 литров воды на деструкцию 1 кг нефти. Если атмосферный приток влаги недостаточен, то необходим искусственный полив. Комплекс данных мероприятий разрабатывается автором с 1986 г. по 1989г. и защищен Российским патентом №2057724. С 1987г. разрабатываемый способ используется для решения практических задач. В 2000г. очищено 35 га в республике КОМИ и 25 га в Тюменской области в районе г.Нефтеюганска.

Изучалась так же устойчивость различных видов растений к нефти. Установлено, что наиболее перспективными видами, пригодными для засева на нефтезагрязненную территорию, являются: многоколосник ситниковый, щавель кормовой, пырей сизый, житняк гребенчатый, костер прямой. Данные виды дают хорошую всхожесть - более 50% при содержании нефти в грунте до 20% по весу. Высокая всхожесть отмечается на разливах, возраст которых превышает 2-3 месяца.

Влияние засоленности на биодеградацию нефти и биопродуктивность

В процессе нефтедобычи в условиях Западной Сибири возможно загрязнение болот нефтью и пластовыми водами, имеющими высокий уровень засоленности. В микрорельефе болот имеются как участки, полностью покрытые водой, так и возвышенности, свободные от воды. При проведении рекультивационных работ осуществляется как биодеструкция нефти, так и засев травами. В данной работе рассматриваются два момента: биодеградация нефтяного пятна, на засоленной водной поверхности и восстановление растительности на грунте свободном от воды, но пропитанном засоленной водой.

Биодеградация нефтяного пятна, с использованием активной почвенной культурой, может протекать как в аэробных условиях, так и анаэробных. Недостаток кислорода отмечается на разливах, где площадь покрытия нефтью превышает 80-90% от площади водного зеркала. Установлено, что в таких условиях значительно - в 6-8 раз возрастает расход минеральных удобрений, в сравнении с участками с покрытием нефтью 50% и менее. Очевидно, что на одном из этапов работ по рекультивации необходимо уменьшить площадь нефтяного пятна. Это может быть достигнуто за счет откачки нефти или при помощи бонов.

В свою очередь уровень засоленности водоема в летний период подвержен значительным колебаниям. Так, после поступления талых вод, происходит снижение концентрации солей. В середине лета часть воды испаряется, что приводит к повышению концентрации. В опытах учитывались эти моменты. Изучалось влияние на биодеградацию нефти как растворов имеющих усредненную концентрацию, так и удвоенную, а так же разбавленных в отношении 1:1. Установлено, что комплекс солей, входящих в состав пластовых вод при изучаемых концентрациях в 1,3 - 1,4 раза, ускоряют процесс биодеградации нефти в сравнении с пресной водой. В то время как растворы одного хлорида натрия, создающие то же осмотическое давление, что и пластовые воды, снижают скорость биодеградации в 1,5 - 2 раза. Очевидно, ионы калия и магния, присутствующие в пластовых водах, активизируют биодеградацию нефти. Тем самым, пластовые воды, даже с повышенным уровнем засоленности стимулирует микробиологическое разложение нефти. На возвышенных участках болот, при рекультивационных работах, необходимо восстанавливать растительность. Изучалось влияние нефти и пластовых вод на различные группы растений. Изучались злаковые, крестоцветные, сложноцветные и бобовые растения. Установлено, что к пластовой воде без нефти устойчивы: пшеница, суданская трава, подсолнечник.

Биопродуктивность перечисленных видов не снижается на засоленном грунте в сравнении с контролем. При совместном воздействии засоленности и нефти, биопродуктивность сохраняет только подсолнечник.

При засеве на участки, через 30 суток после загрязнения нефтью и пластовой водой, высокая устойчивость отмечается так же только у подсолнечника. Обращает на себя внимание поведение суданской травы, устойчивой к нефти и засоленной воде, но не дающей всходов при совместном воздействии этих факторов. Тем самым наиболее устойчивым к комплексу изучаемых факторов оказался представитель сложноцветных - подсолнечник.

Особенности биодеградации нефти в различных грунтах

Наиболее типичными грунтами в местах нефтедобычи в Западной Сибири являются песок, глина, торф и почва. Были спланированы и проведены опыты по сравнительному изучению биодеградации нефти в вышеперечисленных грунтах. В опытах использовалась нефть с месторождений Тюменской области. В роли биодобавок использовалась активная аборигенная культура. Использовались также минеральные добавки: аммиачная селитра, диаммонийфосфат и хлористый калий.

Был проведен ряд исследований, изучалась биодеградация нефти в грунте. На первых этапах эксперимента была поставлена задача выяснить в каком из грунтов (песок, глина, торф и почва) деструкция нефти протекает наиболее эффективно. Было установлено, что за тридцать суток процент деструкции нефти в торфе составил 65%, в песке - 52,2 %, в глине - 34%, в почве - 36 %. Результат эксперимента показал, что наиболее эффективно деструкция протекает в торфе. В песке деструкция протекает в 1,1 раза медленнее, а в глине и в почве - в 1,8 раз.

На следующем этапе эксперимента предполагалось выяснить при каких дозах загрязнения грунта нефтью деструкция протекает наиболее эффективно. В результате проведенного эксперимента было установлено, что деструкция наиболее эффективна при изначальном загрязнении 20-30% нефти. Более высокая концентрация приводит к замедлению скорости деструкции.

Третий этап эксперимента, где предполагалось установить какие добавки и какой тип водного режима способствует интенсивному протеканию биодеградации . На этом этапе эксперимента в качестве грунта был выбран песок, так как песок - наиболее типичный грунт в районах нефтедобычи, применяется для отсыпки технологических площадок. Работы по очистке песка от нефти считаются наиболее сложными. Процесс осложняется тем, что песок в отличии от почвы обладает низкой сорбционной способностью. По этой причине вносимые добавки и минеральные соли вымываются водой. В результате проведенных опытов было установлено, что деструкция наиболее эффективно протекает при полном комплексе вносимых добавок: минеральные соли и нефтеусваивающие культуры. Но как было сказано выше, вносимые добавки легко вымываются из песка. Поэтому в варианте опыта с промывным типом водного режима возникла необходимость каким-либо образом зафиксировать в песке вносимые добавки. Для этой цели были использованы торфогранулы и древесные опилки. Торфогранулы - для фиксации минеральных солей, а опилки - для иммобилизации нефтеусваивающей культуры. В результате оказалось, что интенсивность биодеградации нефти в промывном режиме соответствовало интенсивности непромывного режима, где не происходил процесс вымывания добавок.

Результат опыта показывает, что планирование работ по очистке от нефти песчаного грунта должно учитывать особенности водного режима.

Список литературы

Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://www.ecoportal.ru