Биодеградация нефти

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.