Интенсификация процессов деструкции нефти в илах аэрацией

Д.С. Воробьев

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ДЕСТРУКЦИИ НЕФТИ В ИЛАХ АЭРАЦИЕЙ

Приведены результаты лабораторного эксперимента по изучению деструкции нефти в илах в присутствии червей-лимнодрилусов в условиях искусственной аэрации воды. В присутствии червей-лимнодрилусов в нефтезагрязненных илах и при круглосуточной аэрации воды (при температуре 21-23°С) были созданы наиболее оптимальные условия для прохождения очистных процессов ила от нефти. К концу эксперимента содержание нефти составляло относительно исходного грунта 69%. Установлено, что в результате жизнедеятельности червей-лимнодрилусов при концентрации растворенного в воде кислорода на уровне 7 мг/дм3 в 7 раз увеличивается скорость снижения содержания нефти в нефтезагрязненных отложениях.

Ключевые слова: донные отложения; ил; нефтяное загрязнение; тубифициды; аэрация.

Проблема очистки нефтезагрязненных сред существует в мировом масштабе с начала добычи и нефти и нефтепродуктов. Нет окружающей нас среды, которая бы не подверглась этому загрязнению. Очистка водных объектов от нефти - одна из актуальных проблем нефтедобывающих компаний. Реально «работающие» технологии, с помощью которых можно комплексно очищать и восстанавливать водные объекты от нефти, практически отсутствуют. Все решения сводятся к очистке поверхности воды от нефти, забывая о «невидимой» составляющей -донных отложениях, где зачастую может аккумулироваться нефть слоями в десятки и более сантиметров. Основные принципы экономически приемлемого решения проблемы очистки нефтезагрязненных водоемов, в том числе и очистки их загрязненных отложений, были предложены и испытаны еще в 2003-2006 гг. на озере Щучье, расположенном в Усинском районе Республики Коми [1-3]. Технология была успешно использована для очистки обводненных карьеров в 2006-2007 гг. в ХМАО-Югре [4].

В 2007 г. на основании результатов лабораторных экспериментов была предложена технология, позволяющая использовать червей-тубифицид для очистки донных отложений от нефти [5]. Использование технологии можно рекомендовать на заключительных этапах реабилитации водных объектов для доочистки донных отложений. Целью настоящей работы являлось изучение скорости деструкции нефти в илах и интенсификации этих процессов искусственной аэрацией и биотур-бацией в условиях модельного эксперимента.

Материалы и методы исследования

В эксперименте использовали наиболее распространенный вид тубифицид - Ьіптосігіїш Иойтвізівгі Claparede, 1862. В качестве субстрата для червей использовали ил, отобранный в условно чистом озере вблизи г. Томска и процеженный через мельничный газ № 19 для удаления грубого растительного детрита. Для «стерилизации» (уничтожения макробеспозвоночных животных, коконов олиго-хет и др.) ил раскладывали в герметичные емкости-кюветы и в течение 5 ч выдерживали в термостате при температуре 70-72°С. Далее ил сметанообразной консистенции поме-

щали в 5-литровую емкость и загрязняли нефтью. Загрязненный ил в течение 30 сут ежедневно перемешивался в течение 5-7 мин для прохождения процессов сорбции. Для эксперимента был подготовлен загрязненный ил с исходной концентрацией нефти 14,58 г/кг.

Общая схема эксперимента представлена в таблице. В 8 стеклянных аквариумов объемом 4,5 л (15х х15х20 см) помещали гомогенизированный ил сметанообразной консистенции (400 г) и равномерно распределяли по дну. В каждый аквариум добавляли сертифицированные комплексные удобрения: аммиачную селитру (18 мг) и суперфосфат (16 мг). Количество удобрений рассчитано исходя из норм внесения удобрений для рыбохозяйственных водоемов [6, 7]. Далее в аквариумы (№ 5-8) вносили 2,0 г разновозрастных Limnodrilus hoffmeisteri и медленно (чтобы избежать размытия слоя грунта на дне) наполняли отстоянной в течение 3 сут водопроводной водой в объеме 3 л. Доливка воды в аквариумы проводилась еженедельно. Температура воды во всех аквариумах во время эксперимента составляла 21-23°С. Аэрацию проводили круглосуточно; распылитель воздуха располагался в 5-7 см от поверхности воды, что обеспечивало насыщение воды кислородом без перемешивания илистых частиц на дне.

Для взвешивания червей использовали электронные весы марки «ВЛТЭ-500» с дискретностью 0,01 г. Ил взвешивали на электронных весах марки KRUPS с дискретностью 1,0 г. Измерение содержания растворенного кислорода в воде проводили в конце эксперимента (на 90-е сут) оксиметром «HANNA instruments» HI 9143. Замеры растворенного кислорода в аквариумах, где вода аэрировалась, проводились через 10 мин после отключения воздушных компрессоров. Кормление червей проводили в начале эксперимента, и далее - раз в месяц. Для приготовления корма 0,3 г воздушно-сухих дрожжей заливали 100 мл дистиллированной воды. После набухания дрожжи тщательно перемешивали. Образовавшуюся суспензию отстаивали в течение 30 мин. В аквариумы добавляли надосадочную жидкость в количестве 3 мл/л воды (9 мл в каждый аквариум с червями). Длительность эксперимента составила 90 сут от посадки червей в аквариумы.

Схема эксперимента

№ аквариума Посадка червей Аэрация Кормление червей

1 Нет Без аэрации Без кормления

2 Нет Без аэрации Без кормления

3 Нет С аэрацией Без кормления

4 Нет С аэрацией Без кормления

5 Да С аэрацией С кормлением

6 Да С аэрацией С кормлением

7 Да Без аэрации С кормлением

8 Да Без аэрации С кормлением

Результаты исследования и обсуждение

Проведенные замеры растворенного кислорода в аквариумах в конце эксперимента (на 90-е сут) отражали вполне ожидаемые результаты (рис. 1). В аквариумах, где проводилась аэрация, содержание кислорода было более 7 мг/дм3; максимум наблюдался в аквариумах без червей - 7,31 + 0,05 мг/дм3; в аквариумах с червями содержание кислорода было немного ниже и составило 7,08 + 0,03 мг/дм3. Аналогичные результаты

насыщения воды растворенным кислородом фиксировались нами ранее в других экспериментах [8].

Более низкие значения растворенного кислорода наблюдались в аквариумах, где аэрация не проводилась: в аквариумах без червей она составила 4,75 + 0,10 мг/дм3; в аквариумах с червями - 3,06 + 0,02 мг/дм3. В аквариумах, где аэрация не проводилась, содержание растворенного в воде кислорода обусловлено равновесной концентрацией, когда потребление кислорода биоценозом аквариума уравновешивает поступление кислорода из атмосферы.

6 -

£ 5

4 -

о. 3

2 -

0

с червями, без аэрации

без червей, без аэрации

с червями и аэрацией

без червей с аэрацией

8

7

Рис. 1. Содержание растворенного кислорода в аквариумах; I - ошибка среднего значения

15 -

14 -

13 -

12

11

10 -

начальное содержание нефти

с аэрациеи воды с червями

с аэрацией воды1 и червями

Рис. 2. Содержание нефти в илах в конце эксперимента; I - ошибка среднего значения

9

Результаты химических анализов илов по окончании эксперимента свидетельствовали о наличии различий по содержанию нефти в аквариумах с разными экспериментальными условиями (рис. 2). Наибольшая концентрация нефти по окончании эксперимента наблюдалась в аквариумах, где черви не культивировались и не проводилась аэрация, - 14,2 + 0,2 г/кг. В течение трех месяцев содержание нефти в илах снизилось всего на 2,6%. Ранее такие низкие темпы естественного самоочищения ила нами не фиксировались. Следует отметить и низкую очищающую способность в аквариумах без червей, где проводилась аэрация: средняя концентрация нефти на момент окончания эксперимента составила 13,95 ± ± 0,65 г/кг, а снижение относительно исходного грунта -4,3%. Достаточно высокое содержание растворенного кислорода существенно не отразилось на комплексе очистных процессов в этих аквариумах.

В аквариумах, где культивировались лимнодрилу-сы, снижение нефти в донных отложениях было выражено более отчетливо и в условиях дефицита кислорода (без аэрации) составило на конец эксперимента 12,9 ± 0,3 г/кг, а снижение относительно исходного грунта - 11,5%.

Наиболее оптимальные условия для прохождения очистных процессов были созданы в аквариумах с червями, где проводилась круглосуточная аэрация воды. К концу эксперимента содержание нефти составляло 10,05 ± 0,05 г/кг; снижение относительно исходного грунта составило 69%.

Известно, что интенсификация биохимического окисления илов обусловливается увеличением активной поверхности соприкосновения донных отложений с кислородом в результате деятельности червей. «Прокачивая» придонную воду через норы, увеличивается пористость донных отложений, или «закачивая» в них

воду для облегчения рытья нор, бентосные организмы способствуют усилению потребления кислорода донными отложениями [9].

Безусловно, наличие в воде достаточного количества растворенного кислорода и биотурбация, наряду с оптимальными температурными условиями, являются основными факторами, ускоряющими очистные процессы от нефти, проходящие в донных отложениях. Достаточно сложно разделить вклад в эти процессы углеводородокисляющих микроорганизмов и собственно червей. В целом, оценивая роль жизнедеятельности червей-лимнодрилусов в очистных процессах, проходящих в илистых нефтезагрязненных отложениях, можно констатировать факт, что с содержанием растворенного кислорода на уровне 7 мг/дм3 черви в 7 раз увеличивали скорость снижения нефти в нефтезагряз-ненных отложениях.

Выводы. 1. В аквариумах без червей, где проводилась аэрация, наблюдалась максимальная концентрация растворенного кислорода - 7,31 ± 0,05 мг/дм3; в аквариумах с червями и аэрацией - 7,08 ± 0,03 мг/дм3. Более низкие значения растворенного кислорода наблюдались в аквариумах, где аэрация не проводилась: в аквариумах без червей она составила 4,75 ± 0,10 мг/дм3; в аквариумах с червями - 3,06 ± 0,02 мг/дм3.

2. В аквариумах с червями, где проводилась круглосуточная аэрация воды, были созданы наиболее оптимальные условия для очистки ила от нефти. К концу эксперимента содержание нефти составляло 10,05 ± ± 0,05 г/кг, снизившись относительно исходного грунта на 69%. В результате жизнедеятельности червей-лимнодрилусов при концентрации растворенного в воде кислорода на уровне 7 мг/дм3 (при температуре 21-23°С) в 7 раз увеличивается скорость снижения нефти в нефтезагрязненных отложениях.

ЛИТЕРАТУРА

1. Лушников СВ., Воробьев Д.С., Фадеев В.Н. Экспериментальные работы по очистке донных отложений и воды озера Щучье от нефтепродук-

тов, загрязненных в результате аварийных разливов нефти (Усинский район, Республика Коми) // Экологические работы на месторождениях нефти Тимано-Печорской провинции. Состояние и перспективы : Материалы III науч.-практ. конф. Сыктывкар, 2004. С. 139-142.

2. Лушников СВ, Воробьев Д.С., Фадеев ВН. Очистка донных отложений: первый шаг сделан // Экология и промышленность России. 2005.

№ 9. С. 30-31.

3. Лушников СВ, Воробьев Д.С. Очистка донных отложений от нефти: результаты экспериментальных работ // Экология и промышленность

России. 2006. № 10. С. 11-13.

4. Воробьев Д.С., Лушников СВ, Фадеев ВН. и др. Опыт комплексной очистки обводненных карьеров от нефти // Экология и промышленность

России. 2008. № 4. С. 26-28.

5. Способ биологической очистки донных отложений от нефти и нефтепродуктов: пат. 2357929 Рос. Федерация, МПК С02Р3/32, С12Ш/26 /

Воробьев Д.С., Залозный Н.А., Лушников С.В., Франк Ю.А. ; заявитель и патентообладатель ООО «НТО «Приборсервис». № 2007124025/13; заявл. от 26.06.2007; опубл. 10.06.2009. 1 табл. (ил.).

6. Комплексное удобрение рыбоводных прудов: рекомендации. ВАСХНИЛ, Сиб. отделение СибНИПТИЖ. Новосибирск. 1988. 20 с.

7. Шерман ИМ, Чижик А.К. Прудовое рыбоводство: учеб. пособие. К. : Выща шк., 1989. 215 с.

8. Воробьев Д.С, Залозный НА, Франк ЮА. и др. К вопросу о роли тубифицид в потреблении кислорода в донных отложениях, загрязненных

нефтью // Известия Самарского научного центра РАН. 2009. Т. 11, № 1 (4). С. 702-706.

9. МартыноваМВ. Роль некоторых бентосных организмов в удалении соединений азота и фосфора из донных отложений // Гидробиологиче-

ский журнал. 1985. Т. 21, № 6. С. 44-48.

Статья представлена научной редакцией «Биология» 15 апреля 2011 г.