КАССЕТА ДЛЯ ОЧИСТКИ ПРИРОДНЫХ ВОД ОТ НЕФТЯНЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ
CARTRIDGE FOR PURIFYING NATURAL WATER FROM OIL POLLUTANTS

Изобретение относится к биопрепаратам для очистки природных вод, в частности к микробиологической биоремедиации (биовосстановлению) открытых акваторий, внутренних вод или береговой линии, загрязненных нефтью или нефтепродуктами.
Известен биопрепарат для очистки природных вод от нефтяных загрязнений непосредственно, включающий дополнительные источники питания, в том числе модифицированные, для придания ему требуемых свойств, таких, например, как плавучесть и пролонгированное выделение азота в места нефтяных загрязнений, и таким образом культивирования в местах загрязнений нефтью или нефтепродуктами углеводородокисляющих микроорганизмов естественных биоценозов (см. патент US №4230562, кл. С02В 9/02, 28.10.1980).
Однако использование такого биопрепарата непосредственно на месте загрязнения не позволяет достичь удовлетворительной степени и сроков очистки из-за недостаточно высокой скорости роста углеводородокисляющих микроорганизмов естественных биоценозов и, как следствие, медленного потребления углеводородов нефти, загрязняющих воду. Это, в первую очередь, связано с отсутствием средств, которые позволяли бы концентрировать нефть или нефтепродукт, питательные компоненты в месте концентрации нефтеокисляющих микроорганизмов, а также давали бы возможность микроорганизмам прикрепляться к субстрату и комфортно осуществлять процессы жизнедеятельности.
Известен сорбент, содержащий полимер, в расплав которого внесен активированный уголь, из которого сформировано изделие и в которое иммобилизированы микроорганизмы активного ила (см. патент RU 2023685, кл. C02F 3/34, 30.11.1994).
Однако вышеуказанный сорбент содержит техногенные компоненты, что усложняет и удорожает процесс очистки. Кроме того, при определенных условиях может появиться опасность вторичного загрязнения.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является биопрепарат для очистки природных вод от нефтяных загрязнений, содержащий природные ассоциации углеводородокисляющих бактерий, которые иммобилизированы на поверхности сорбента, представляющего собой перлит или вермикулит, раздробленный до гранул дисперсностью 3-7 мм и вспученный в термопечи (см. патент RU №2143947, кл. C02F 3/34, 10.01.2000).
Однако использование перлита и вермикулита, которые являются производными природных алюмосиликатов, неоправданно, так как эти материалы обладают хорошей плавучестью, однако слабо развитой системой пор и каналов, которые сообщаются с внешней средой. Поэтому клетки бактерий могут располагаться только на поверхности и не могут удерживаться на носителе в акватории. Кроме того, использование углеводородокисляющими бактериями в качестве питательных компонентов перлита и вермикулита невозможно, а поскольку минеральные добавки находятся на носителе, они будут смываться и эффективность использования их бактериями будет низка, что снижает биологическую активность биопрепарата и, следовательно, эффективность очистки загрязненных водоемов.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является активизация процесса доставки загрязняющих воду нефти или нефтепродуктов к ассоциациям углеводородокисляющих бактерий, количество которых увеличено биотехнологическим путем, и надежная иммобилизация ассоциаций бактерий на носителе.
Техническим результатом, достигаемым при реализации изобретения, является повышение эффективности очистки воды от нефти или нефтепродуктов.
Указанная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что кассета для очистки природных вод от нефтяных загрязнений содержит природные ассоциации углеводородокисляющих бактерий, обитающие в очищаемой природной воде, биотехнологически наращенные и иммобилизированные на поверхности природных носителей, помещенных на поверхности пористых сорбентов для нефти и нефтепродуктов, расположенных в один или несколько слоев, причем кассета снабжена жестким с положительной плавучестью каркасом в виде кольца с внутренним диаметром, в 10-15 раз превышающим его высоту, причем сорбент помещен внутрь каркаса, заключенного в пористую хлопчатобумажную ткань, например бязь, или сеть.
В качестве носителя предпочтительно используют материалы из группы цеолиты, водоросли, микроскопические грибы, например Beauveria, Fusarium, Rhizopus, Trihoderma, которые выращивают на питательной среде, обогащенной глюкозой и минеральными веществами в микроколичествах, бактериальную целлюлозу, источником которой является ассоциация Acetobacter xylinum и Shizosaccharomyces pombe.
В качестве сорбента предпочтительно используют материалы из группы водоросли, торф (природный или гидрофобизированный), каучук натуральный, керамзит, активный уголь, торфяной кокс, древесный уголь, вспененный вермикулит, терморасщепленный графит, углеродные волокна, вискозу.
Каркас может быть выполнен из плавучих природных или искусственных материалов, например дерева или пробки, водных растений, в т.ч. водорослей, стекла.
Сорбент с помещенным на его поверхности носителем углеводородокисляющих бактерий предпочтительно расположен в каркасе послойно и выполнен из материалов с разными свойствами.
При загрязнении акватории нефтью или нефтепродуктами происходит отравление и/или гибель большого количества организмов. При этом разрываются пищевые цепи, в результате чего прерываются связи в экосистеме и разрушается ее живая составляющая. Следствием является то, что даже при восстановлении жизни на данном участке возможны очень сильные преобразования в доминантах экологических ниш, что проявляется в уменьшении разнообразия живого мира. Это в свою очередь может привести к другим крупным негативным изменениям экосистемы. Современные технологии, применяемые при ликвидациях разливов нефти, несовершенны, т.к. не обеспечивают быстрой и полной очистки акватории от нефти, что не исключает опасность проникновения и накопления углеводородов нефти в пищевых цепях. Кроме недостаточной эффективности очистки морской акватории, существующие технологии имеют высокую стоимость. Поэтому необходимы эффективные и сравнительно недорогие биопрепараты для восстановления морской среды от разливов нефти.
В то же время физические процессы (ветер, волнение, течения, испарение и др.) обусловливают главным образом перенос нефти, а не ее трансформацию. Молекулы нефти могут быть рассеяны и частично выведены из экосистемы химическими агентами, а разрушены и преобразованы в безопасные формы только биологическими агентами.
По сравнению с другими морскими обитателями меньшую опасность представляет нефть для микроскопической биоты моря - бактериопланктона. Это связано с тем, что микроорганизмы являются единственным компонентом экосистемы, способным разрушать нефть и нефтепродукты до простых соединений в процессе своей жизнедеятельности. При благоприятных условиях биомасса углеводородокисляющих микроорганизмов нарастает и разрушение ускоряется. В процессе биодеградации нефти и нефтепродуктов микроорганизмы выделяют поверхностно-активные вещества, которые преобразуют нефтяную пленку в эмульсию, после чего молекулы нефти могут поступать в клетки микроорганизмов и использоваться в процессе жизнедеятельности.
Несмотря на то, что бактериопланктон способен разрушить и вывести из морской экосистемы нефтяное загрязнение, для запуска этого процесса самовосстановления акватории требуется время. Способ восстановления экосистем с использованием микроорганизмов разрабатывается в течение двух последних десятилетий учеными разных стран мира.
Очистка воды, в частности восстановление морской акватории, происходит за счет биотехнологического восполнения ее бактериального начала, т.е. тех микроорганизмов, которые уже существуют в загрязненной акватории, что способствует интенсификации процессов самоочищения акватории, и основывается на двухступенчатой концепции:
1) в акваторию вносится биопрепарат, работающий в природной среде;
2) снижение концентрации загрязнителя за счет работы биопрепарата и запас времени, пошедший на сохранение и концентрацию природных сил, способствуют активизации природных процессов самоочищения, что достигается за счет фрактальности (самоподобия) биопрепарата по отношению к природе.
В ходе исследования были определены требования к носителю биопрепарата. Носитель для ассоциации бактерий должен обладать адекватными свойствами как для клеток бактерий, так и для природной среды, в которую будет вноситься готовый биопрепарат для очищения от загрязнения путем биовосстановления природных вод, для чего носитель должен обладать следующими свойствами:
- развитая система открытых пор, размер пор не должен быть меньше, чем размер клеток бактерий (>1 мкм);
- наличие закрытых пор для обеспечения плавучести (актуально для использования биопрепарата в акваториях);
- материал при длительном нахождении в загрязненной акватории должен быть либо инертен, либо разлагаться под воздействием физических, химических, биологических факторов природной среды;
- обязательно наличие гидрофильных свойств для нормального контакта с бактериальным матриксом, содержащим микроорганизмы и имеющим полисахаридную природу, что обеспечит закрепление в и на носителе ассоциаций бактерий;
- желательно, чтобы добавленные и входящие в химический состав носителя компоненты могли быть использованы углеводородокисляющими бактериями в качестве минеральных или органических питательных компонентов.
В результате было установлено, что большинство этих требований может быть удовлетворено путем использования кассет, содержащих природные ассоциации углеводородокисляющих бактерий, обитающие в очищаемой природной воде, биотехнологически наращенные и иммобилизированные на поверхности природных носителей, помещенных на поверхности пористых сорбентов для нефти и нефтепродуктов, расположенных в кассете в один или несколько слоев. В результате достигается возможность концентрировать биопрепарат на поверхности воды в местах ее загрязнения и длительное время удерживать его в местах загрязнения, что позволяет резко повысить эффективность использования биопрепарата.
Наибольшей эффективности использования биопрепарата удалость добиться при использовании в качестве носителя цеолитов, водорослей, микроскопических грибов, например Beauveria, Fusarium, Rhizopus, Trihoderma, которые выращивают на питательной среде, обогащенной глюкозой и минеральными веществами в микроколичествах, бактериальной целлюлозы, источником которой является ассоциация Acetobacter xylinum и Shizosaccharomyces pombe.
Однако, как отмечалось, важно выполнить два условия, а именно обеспечить плавучесть биопрепарата на поверхности воды, сохранить требуемую концентрацию сорбента и носителя, на котором иммобилизированы природные ассоциации углеводородокисляющих бактерий и не нарушить экологию в месте очистки воды от загрязнений внесением в нее новых загрязнений. Этого удалось добиться путем использования кассет, содержащих каркас, выполненный из природных материалов, например дерева или пробки, причем каркас выполняют в виде кольца с внутренним диаметром, в 10-15 раз превышающим его высоту, заключенным в пористую хлопчатобумажную ткань, например бязь, или сеть. При указанных соотношениях диаметра и высоты удается удерживать сорбент в наиболее загрязненном нефтепродуктами слое воды, предотвратить унос сорбента с места загрязнения и добиться требуемой концентрации сорбента на единицу площади поверхности воды. Биопрепарат при таком исполнении легко локализовать на месте загрязнения даже при достаточно сильном волнении моря с помощью средств, предотвращающих их унос.
Использование пористых цеолитов, которые могут иметь открытые поры порядка более 1,0 мкм, обеспечивает одновременно возможность иммобилизации углеводородокисляющих микроорганизмов в порах носителя и транспортировку нефти или нефтепродуктов из области загрязнения к расположенным в порах ассоциациям бактерий.
Использование для очистки акватории микроорганизмов, приспособившихся именно к этой акватории, позволяет проводить восстановление морской акватории, которое происходит за счет биотехнологического восполнения ее бактериального начала.
Проведены лабораторные испытания эффективности моделей биопрепаратов для очистки морской воды, загрязненной нефтью. Анализ результатов испытаний показал, что через 7 дней после внесения биопрепаратов уровень загрязнения воды снизился почти до фонового значения.
Как следствие, достигается эффективная очистка загрязненной акватории.
На чертеже представлен разрез биопрепарата.
Кассета для очистки природных вод от нефтяных загрязнений содержит природные ассоциации углеводородокисляющих бактерий, которые иммобилизированы на поверхности сорбента 1. Кассета снабжена жестким с положительной плавучестью каркасом 2 в виде кольца с внутренним диаметром, в 10-15 раз превышающим его высоту, заключенным в пористую хлопчатобумажную ткань 3, например бязь, или сеть, причем сорбент с иммобилизированными природными ассоциациями углеводородокисляющих бактерий помещен внутрь каркаса.
В качестве сорбента используют водоросли, торф (природный или гидрофобизированный), каучук натуральный, керамзит, активный уголь, торфяной кокс, древесный уголь, вспененный вермикулит, терморасщепленный графит, углеродные волокна, вискозу, а в качестве носителя используют цеолиты, водоросли, микроскопические грибы, например Beauveria, Fusarium, Rhizopus, Trihoderma, которые выращивают на питательной среде, обогащенной глюкозой и минеральными веществами в микроколичествах, бактериальную целлюлозу, источником которой является ассоциация Acetobacter xylinum и Shizosaccharomyces pombe.
2
Каркас выполнен из природных материалов, например водорослей или стеблей водных растений, дерева или пробки, или искусственных материалов, например стекла. Таким образом, по внешнему виду биопрепарат - это кассета диаметром 20-30 см, обшитая бязью или сетью, на жестком круговом каркасе с микроорганизмами на носителе и с подпиткой. Расход биопрепарата составляет 40-60% (по площади кассеты) от площади загрязнения или 1 кг на 4 км. Доставка и выгрузка кассет к месту загрязнения может осуществляться с помощью авиации и плавсредств.
Биотехнологически наращенные и иммобилизированные на поверхности природных носителей, помещенных на поверхности пористых сорбентов 1, углеводородокисляющие бактерии загружают в кассету внутрь каркаса 2, обтянутого тканью, через выполненное в ней отверстие, которое зашивают или перекрывают любым другим способом, например заклеивают. Кассета готова к внесению ее в загрязненную водную акваторию для ее очистки.
В результате получено средство для очистки морских и других водных акваторий, обладающее следующими свойствами:
- способностью сорбировать нефть или нефтепродукты, быть гидрофобным;
- наличием развитой системой открытых пор с размером более 10 мкм;
- плавучестью, которую материал сохраняет длительное время; (актуально для использования биопрепарата в акваториях);
- является природным материалом, не вредящим природе;
- компоненты, входящие в состав сорбента, могут быть использованы бактериями в качестве минеральных или органических питательных компонентов;
- возможностью длительного хранения;
- возможностью нанесения разными способами и при разных условиях;
- возможностью регенерации сорбента и его повторным использованием;
- возможностью утилизации использованного сорбента с использованием экологически чистых технологий;
- экономической эффективностью применения.
Настоящее изобретение может быть использовано при чрезвычайных ситуациях, связанных с ликвидацией загрязнения водных акваторий в результате техногенных катастроф при добыче, транспортировке, использовании нефти или нефтепродуктов, в частности при разрушении танкеров, при авариях на морских нефтяных платформах с разливом нефти или нефтепродуктов, при погрузочно-разгрузочных операциях в портовых акваториях и т.д.