СПОСОБ И УСТАНОВКА ДЛЯ МИКРОБИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ ГРУНТОВ, ЗАГРЯЗНЕННЫХ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ И НЕФТЕПРОДУКТАМИ (ВАРИАНТЫ)
METHOD AND PLANT FOR MICROBIOLOGICAL TREATMENT OF SOILS CONTAMINATED BY HEAVY METALS AND OIL PRODUCTS (VERSIONS)

Изобретение относится к области биотехнологии и охране окружающей среды, а именно к технологии и устройствам микробиологического обезвреживания (реактор закрытого изотермического типа), и предназначено для восстановления земель, загрязненных солями тяжелых металлов и нефтепродуктами.
Известен способ переработки нефтяных шламов, заключающийся в фильтровании нагретого до 40-45°С нефтешлама, повторном нагревании, фильтровании, центрифугировании, сепарировании, выделении трех фаз нефтепродуктовой, водной эмульсии и механических примесей, содержащих тяжелые углеводороды, причем исходный нефтешлам предварительно обрабатывают деэмульгатором, а после нагревания до 40-45°С нефтешлам отстаивают с выделением четвертой фазы водно-иловой суспензии, при этом механические примеси отмывают углеродным растворителем, обрабатывают водяным паром, а водно-иловую суспензию используют в качестве питательной среды для выращивания микроорганизмов, затем механические примеси и водно-иловую суспензию с выращенными микроорганизмами объединяют и осуществляют обезвреживание полученной смеси анаэробными микроорганизмами с последующей доочисткой в анаэробных условиях, после чего вносят грибной инокулят, культивируют, отделяют полученную грибную биомассу и выводят очищенные песок и глину - аналог (патент РФ №2078740, МПК: C02F 11/14) - аналог.
Недостатками известного способа являются сложность технологии, невозможность очистки нефтешлама одновременно от солей тяжелых металлов, низкая степень очистки от нефти из-за неэффективного разделения эмульсии нефть - вода; вывод неочищенных завешенных частиц вместе с водой, неэффективность биодеструкции тяжелых углеводородов, необходимость внесения питательных добавок; низкая эффективность работы углеводородокисляющих микроорганизмов при колебаниях температуры, влажности и световых условий в аппарате биологической очистки.
Известен способ микробиологической очистки нефтезагрязненных продуктов, реализуемый в установке для микробиологической очистки (патент РФ №76826, МПК: В03В 9/02, опубл. 10.10.2008 г.) - аналог.
В известном способе загрязненный грунт помещают в биореактор и обрабатывают биопрепаратом и удобрениями.
Недостатком известного решения является невозможность очистки грунтов от более опасных, чем нефтепродукты, солей тяжелых металлов; невысокая эффективность работы биопрепарата при пониженных температурах 10-15°С.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое изобретение в части способа по первому варианту, является повышение эффективности очистки загрязненного грунта, при обеспечении очищения грунта не только от нефтепродуктов, но и от солей тяжелых металлов.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе микробиологической очистки загрязненного грунта в биореактор загружают загрязненный грунт и равномерно распределяют его по биореактору, после чего в биореактор загружают песок с предварительно добавленным в него биосорбентом, перемешивают грунт с песком с образованием слоя смеси компонентов и обрабатывают водным раствором гуминовой кислоты с концентрацией 2-5% вес. в воде до влажности слоя смеси 50-60%, выдерживают, периодически перемешивая смесь в биореакторе, и после достижения нормативных значений концентраций загрязняющих веществ перемешивание прекращают и осуществляют выгрузку очищенной смеси.
Если концентрация раствора гуминовой кислоты в воде менее 2%, то процессы разложения нефтепродуктов замедляются, например, при концентрации в 1% - 2 раза. Производительность биореактора снижается.
А если более 5%, то начинается мицеллообразование и активная поверхность молекул гуминовой кислоты резко падает.
Если процесс обработки водным раствором гуминовой кислоты с концентрацией 2-5% вес. в воде осуществляют до влажности слоя смеси менее 50%, то жидкие линзы в поровом пространстве грунта не связаны друг с другом и затруднена диффузия молекул нефтепродуктов к микроорганизмам, и процесс биодеструкции резко замедляется.
А если более 60%, то вода заполняет поровое пространство грунта и существенно замедляет поставку кислорода воздуха к микроорганизмам, что также замедляет биодеструкцию нефтепродуктов.
Способ, характеризующийся тем, что перед подачей в биореактор первой порции загрязненного грунта в биореакторе могут создавать буферный слой песка между полом биореактора и загрязненным грунтом, например слой толщиной 10 см.
Способ, характеризующийся тем, что масса песка может составлять не менее 30% от массы загрязненного грунта, что является оптимальным для получения грунтов для использования в сельскохозяйственных нуждах.
Способ, в котором масса биосорбента составляет не более 1% от общей массы загрязненного грунта и песка, а в качестве биосорбента используют МОСКАТ, Унисорб-Био, ОД-2, Эконадин и др.
Если масса биосорбента более 1%, возрастает цена биообезвреживания, при незначительном увеличении производительности биореактора.
Способ, характеризующийся тем, что при выдержке смеси в биореакторе поддерживают температуру, необходимую для биообезвреживания загрязняющих веществ, например в диапазоне 10-27°С.
Если температура ниже 10°С, то используют только МОСКАТ. При температуре выше 10°С можно использовать другие биосорбенты.
А если больше 27°С, то происходит потеря внутриклеточной воды микроорганизмов, что влечет за собой понижение их активности.
Известен способ переработки нефтяных шламов и обезвреживания грунтов, реализованный при использовании линии для сбора, переработки нефтяных шламов и обезвреживания грунтов (патент РФ №2075447 С1, МПК: C02F 1/40, опубл. 20.03.1997) - аналог.
Известная линия имеет низкую эффективность работы углеводородокисляющих микроорганизмов при понижении температуры, ниже 15°С, влажности ниже 50% и световых условий в аппарате биологической очистки.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое изобретение в части способа по второму варианту, является повышение эффективности очистки.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе микробиологической очистки загрязненного грунта в биореактор загружают загрязненный грунт и равномерно распределяют его по биореактору, после чего в биореактор загружают песок, перемешивают грунт с песком с образованием слоя смеси компонентов и обрабатывают смесью водного раствора гуминовой кислоты с концентрацией 2-5% вес. в воде и биопрепарата 0,01-0,05%, до влажности слоя смеси 50-55%, выдерживают, периодически перемешивая смесь в биореакторе, и после достижения нормативных значений концентраций загрязняющих веществ перемешивание прекращают и осуществляют выгрузку очищенной смеси.
Если концентрация раствора гуминовой кислоты в воде менее 2%, то процессы разложения нефтепродуктов замедляются, например, при концентрации в 1% - 2 раза. Производительность биореактора снижается.
А если более 5%, то начинается мицеллообразование и активная поверхность молекул гуминовой кислоты резко падает.
Если концентрация биопрепарата менее 0,01%, то медленно протекает рост штамма микроорганизмом и, кроме того, аборигенная микрофлора может подавить рост полезной микрофлоры.
А если больше 0,05%, то это экономически не оправдано из-за высокой стоимости биопрепаратов (50-70 тыс. руб./кг).
Если процесс обработки водным раствором гуминовой кислоты с концентрацией 2-5% вес. в воде осуществляют до влажности слоя смеси менее 50%, то жидкие линзы в поровом пространстве грунта не связаны друг с другом и затруднена диффузия молекул нефтепродуктов к микроорганизмам, и процесс биодеструкции резко замедляется.
А если более 60%, то вода заполняет поровое пространство грунта и существенно замедляет поставку кислорода воздуха к микроорганизмам, что также замедляет биодеструкцию нефтепродуктов.
Способ, характеризующийся тем, что перед подачей в биореактор первой порции загрязненного грунта, в биореакторе создают буферный слой песка между полом биореактора и загрязненным грунтом, например слой 10 см.
Способ, характеризующийся тем, что масса песка составляет не менее 30% от массы загрязненного грунта.
Способ, характеризующийся тем, что в оптимальном варианте масса биопрепарата составляет от 0,001% до 0,005% общей массы воды.
Способ, в котором в качестве биопрепарата используют штамм или несколько штаммов микроорганизмов в сухом виде.
Способ, характеризующийся тем, что при выдержке смеси в биореакторе поддерживают температуру, необходимую для биообезвреживания загрязняющих веществ.
Способ, характеризующийся тем, что при использовании биопрепарата поддерживают оптимальную температуру в диапазоне 25-30°С, а в качестве биопрепарата используют Путидоил, Девороил, Биоприн, Руден и т.д.
Известна установка для очистки нефтешламов, содержащая накопитель шлама, насосы, фильтры, устройство подачи деэмульгатора, нагреватель, центрифугу, деаэратор, сепаратор, устройство подачи растворителя, устройство обработки водяным паром, культиватор, устройства подачи питательных веществ, флокулянта, аппарат биологической очистки (патент РФ№2078740С1, МПК: C02F 11/14, опубл. 10.05.1997) - аналог.
Недостатками известного устройства являются сложность технологии, невозможность очистки одновременно от солей тяжелых металлов, низкая степень очистки от нефти из-за неэффективного разделения эмульсии нефть - вода; вывод неочищенных завешенных частиц вместе с водой, неэффективность биодеструкции тяжелых углеводородов, необходимость внесения питательных добавок; низкая эффективность работы углеводородокисляющих микроорганизмов при колебаниях температуры, влажности и световых условий в аппарате биологической очистки.
Из известных устройств наиболее близкой по технической сущности к заявляемому является установка для микробиологической очистки нефтезагрязненных грунтов, включающая приемный бункер для хранения, равномерной подачи и подогрева грунта; биореактор с культиваторами для измельчения и аэрации грунта; направляющую балку внутри биореактора для перемещения приемного бункера и культиваторов; транспортер (шнек) для выгрузки очищенного грунта; электрощит для управления работой биореактора; смеситель - дозатор (бак-накопитель) для приготовления раствора биопрепарата в воде; воздуходувку - нагреватель для подогрева загрязненного грунта и воздуха (патент РФ №76826 U1, МПК: В03В 9/02, опубл. 10.10.2008) - прототип.
Недостатком известной установки является невозможность очистки грунтов от более опасных, чем нефтепродукты, солей тяжелых металлов;
невысокая эффективность работы биопрепарата при пониженных температурах; грунт, получаемый в результате очистки, может использоваться только для несельскохозяйственных целей, длительные сроки очистки грунтов и, следовательно, невысокая производительность установки.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое изобретение в части устройства, является повышение эффективности и качества очистки загрязненных нефтепродуктами и тяжелыми металлами грунтов.
Указанный технический результат достигается тем, что в установке для микробиологической очистки грунтов, содержащей расположенные в замкнутом объеме приемный бункер с крышкой для размещения рабочей среды, устройство перемещения рабочей среды из приемного бункера в биореактор, систему орошения установки с баком-накопителем, воздуходувку-нагреватель для предварительного подогрева рабочей среды и автоматического поддержания заданной температуры воздуха в замкнутом объеме установки, шнек для выгрузки рабочей среды и теплоизолированное основание с подогреваемым полом, приемный бункер выполнен с возможностью раздельной подачи в него элементов рабочей среды, бак накопитель выполнен с возможностью подачи в него раствора гуминовой кислоты в воде или раствора гуминовой кислоты с биопрепаратом в воде, а теплоизолированное основание содержит два слоя, зазор между которыми связан с выходом воздуходувки-нагревателя.
Устройство, характеризующееся тем, что компонентами рабочей среды являются очищаемый грунт, песок и биосорбент.
Заявляемое изобретение приведено на фиг.1, где показана установка для микробиологической очистки, которая реализует заявляемый способ по перовому и второму вариантам.
Установка для микробиологической очистки содержит приемный бункер 1, тепловой экран 2, узел - дозатор 3 для добавления в загрязненный грунт биосорбента, культиваторы 4; биореактор 5; направляющую балку 6, бак-накопитель 7 для раствора гуминовой кислоты и биопрепарата в воде, систему оросительного оборудования 8, содержащую насос 9, шланги 10 и лейки 11 для обработки грунта реагентами и полива водой, воздуходувку-нагреватель 12 для подогрева воздуха, червячный мотор-редуктор 13 для привода тележки с размещенными на ней культиваторами 4; мотор-редуктор для привода разгрузочного шнека (не показаны); 14 - направляющую стенку шнека, 15 - щит электропитания и управления процессом биообезвреживания; теплоизолированное основание с подогреваемым полом 16, причем теплоизолированное основание содержит два слоя, зазор между которыми связан с выходом воздуходувки-нагревателя, а все узлы установки размещены в герметичном объеме с прозрачным сводом 17 из поликарбонатного материала. При работе в условиях недостаточного солнечного света под сводом устанавливают ртутные лампы расширенного спектра 18.
Установка работает следующим образом,
3
Отмеренные порции грунта, например 700 кг, загрязненного нефтепродуктами и солями тяжелых металлов, и песка, например 300 кг, с помощью автопогрузчика загружают в приемный бункер 1 объемом 2 м. В нем загрязненный грунт предварительно подогревают с помощью воздуходувки-нагревателя 12. Стенки приемного бункера 1 выполнены с наклоном не менее 60°, для того чтобы грунт под действием собственной силы тяжести выдавливал нижние слои. Мотор-редуктор 13 перемещает приемный бункер 1 вдоль направляющей балки 6. За счет поступательного движения бункера и вращения фрез культиваторов грунт равномерно распределяется по всей площади биореактора 5. Затем загрязненный грунт измельчают фрезами культиваторов 4 до размеров 2-3 мм и перемешивают с песком для улучшения доступа углеводородокисляющим микроорганизмам к загрязненным частицам грунта и либо обрабатывают раствором гуминовой кислоты и биопрепарата в воде, подаваемых в реактор из бака-накопителя 7 с помощью насоса 8 и разбрызгиваемых с помощью леек 10, либо в биореактор сразу загружают песок с предварительно добавленным в него биосорбентом, перемешивают грунт с песком с образованием слоя смеси компонентов и обрабатывают водным раствором гуминовой кислоты с концентрацией 2-5% вес. в воде, до влажности слоя смеси 50-55%. При заполнении биореактора до 20 тонн смеси грунта и песка процесс загрузки прекращают.
С помощью воздуходувки-нагревателя в биореакторе устанавливают и поддерживают требуемую для окисления нефтепродуктов температуру, например оптимально - 25-27°С (при использование биопрепарата) или 10-15°С (при использовании биосорбента). При недостаточном естественном освещении включают ртутные лампы 18.
Грунт периодически перемешивают с помощью культиваторов 4 и увлажняют с помощью оросительного оборудования. Очищенный от нефтепродуктов грунт удаляют из реактора с помощью разгрузочного шнека, приводимого в действие червячным мотор-редуктором 13. Процесс очистки контролирует и обеспечивает щит электропитания и управления 15.
Указанный технический результат достигается тем, что технология предусматривает не только использование известных биосорбентов и биопрепаратов, предназначенных для очистки, в частности, загрязненного грунта, но и использованием водного раствора гуминовой кислоты определенной концентрации, до состояния влажности в определенных пределах.
Загрузка в бункер песка и его распределение с помощью культиваторов для создания буферного слоя толщиной 10 см между полом установки и загрязненным грунтом улучшает работу установки в весенне-осенний период.
Послойное орошение смеси раствором гуминовой кислоты с заданной концентрацией в воде до заданной влажности грунта оптимизирует процесс очистки. Оптимизации процесса способствует также проведение перемешивания грунта 12 раз в сутки с помощью культиваторов в течение 3-4 суток.
После достижения нормативных значений концентраций нефтепродуктов и солей тяжелых металлов процесс перемешивания прекращают и проводят выгрузку очищенного грунта с помощью выгружного шнека и культиваторов, далее технологические операции повторяются.
Заявленное изобретение позволяет: увеличить производительность очистки грунтов в 2-3 раза за счет использования раствора гуминовой кислоты и биосорбента МОСКАТ или биопрепарата в заявленных соотношениях при заявленных условиях, повысить качество очищенного грунта от нефтепродуктов и солей тяжелых металлов; реализовать экологически безопасный технологический процесс очистки грунтов от солей тяжелых металлов и нефтепродуктов; получить товарную продукцию; исключить отрицательное воздействие загрязненных грунтов на окружающую среду; проводить обработку грунта в условиях пониженных температур внешней среды при рабочей температуре 10-15°С.
Размещение данной установки на железнодорожной платформе или автомобиле позволяет исключить дополнительные экономические затраты, связанные с транспортировкой грунтов к месту очистки.