Технология биологической очистки почв с использованием вермикультуры

ТЕХНОЛОГИЯ БИОЛОГИЧЕСКОЙ очистки почв С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВЕРМИКУЛЬТУРЫ

2009 Смольникова В.В.

Северо-Кавказский государственный технический университет

Рассмотрена комплексная биотехнология, основанная на использовании вермикультуры, активизирующей аборигенную углеводородную микрофлору. Рекомендуется для очистки субстратов, подвергшихся слабому и среднему нефтяному загрязнению, а также при проведении рекультивационных мероприятий на застарелых участках загрязнений и после проведения механической, физико-химической или химической очистки нефтезагрязненных территорий юга России.

The author of the article considers the complex biotechnology, based on the use of the vermiculture, actuating the aboriginal hydrocarbon microflora. It is recommended for clearance the substrates, subjected to the weak and average oil contamination, and during the recultivating actions on old contaminated areas and mechanical, physicochemical or chemical clearance of areas in the south of Russia contaminated with oil.

Ключевые слова: вермикультура, биологическая очистка, нефтяное загрязнение, рекультивация, углеводородокисляющая микрофлора.

Keywords: vermiculture, bio-remediation, oil contamination, recultivation,

hydrocarbonoxidizing microflora.

Проблема загрязнения

окружающей среды углеводородами нефти имеет в нашей стране общегосударственное значение. Нефть и нефтепродукты являются одними из основных загрязнителей окружающей среды. Повышенная

концентрация нефти в почвах за

последние годы постоянно

отмечается в государственных докладах о состоянии окружающей природной среды Российской

Федерации. Попадание

углеводородов нефти в почвенные экосистемы и в прудовый ил приводит к возникновению ряда негативных последствий. Нефть подавляет дыхательную активность субстратов, изменяется соотношение между различными группами

микроорганизмов, угнетается

почвенная флора и фауна, заметно снижается биопродуктивность

субстратов. Для большинства сельскохозяйственных растений

нефтезагрязненная почва является токсичной.

Степень загрязненности почвы

нефтью и нефтепродуктами

оценивают по их концентрации.

Согласно Методике определения ущерба окружающей природной среде при авариях на магистральных нефтепроводах (утв. Минтопэнерго РФ 1 ноября 1995 г.) показатели уровня загрязнения земель нефтью и нефтепродуктами оцениваются как низкие при концентрации нефти в

почве от 1 до 2 г/кг, как средние при концентрации от 2 до 3 г/кг. При этом уровне загрязнения во всех типах субстратов и почв находится углеводородокисляющая микрофлора [1,3, 6, 7].

В биоценозах осуществляются процессы самоочищения от нефти, однако интенсивность этих процессов крайне низкая, и восстановление экологических функций

нефтезагрязненных субстратов может

занять несколько десятков лет. Скорость самоочищения зависит от начальной концентрации нефти в субстрате, его температуры и влажности, количественного и качественного состава микрофлоры, способной разлагать углеводороды, типа субстрата, наличия аэробных условий [2, 4].

В мировой практике для решения проблемы очистки окружающей среды от углеводородов нефти используются механические,

термические, физико-химические, химические методы. К основным недостаткам этих методов относится высокая стоимость очистки, сложное аппаратное оформление процесса, возможность загрязнения субстратов моющими средствами и

промывочными растворами,

необходимость проведения

дополнительных мероприятий,

ухудшение механических и

агрохимических свойств субстратов.

Биологические методы позволяют

стабилизировать агрохимические свойства субстратов и добиться деградации нефтяных углеводородов до веществ, не оказывающих отрицательного влияния на почвенную экосистему. Основными недостатками биологических методов являются длительный процесс биодеградации нефти, низкая эффективность при средних уровнях загрязнения, сезонность.

В этой связи актуальным является поиск путей интенсификации биологических методов очистки нефтезагрязненных субстратов. Интенсификация процессов

самоочищения возможна за счет использования комплексной

биотехнологии, включающей в себя сочетание агротехнических приемов введения в систему организма, способного обеспечить

перемешивание и аэрацию субстрата, и внесения органического материала, способного снизить начальную концентрацию нефти и обеспечить необходимое количество

незагрязненного корма почвенным беспозвоночным.

Дождевые черви способны обеспечить аэрацию,

структурированность почвы,

распределение органического

материала по почвенному горизонту, присутствие ряда биологически активных веществ, что повышает эффективность работы

микроорганизмов. Симбиоз дождевых червей с почвенной микрофлорой улучшает условия обитания обоих видов и способствует ускорению биоразложения нефти.

Предлагаемая комплексная

биотехнология с использованием вермикультуры основана на активизации аборигенной

углеводородокисляющей микрофлоры и может применяться при уровнях загрязнения нефти в почве до З г/кг. Рекомендуется применять для очистки субстратов, подвергшихся слабому и среднему нефтяному загрязнению, а также при проведении рекультивационных мероприятий на застарелых участках загрязнений и после проведения механической, физико-химической или химической очистки

нефтезагрязненных территорий юга России.

Комплексная биологическая

технология очистки

нефтезагрязненных субстратов

состоит во внесении на загрязненный участок органического материала

(листовой опад, вяленую или свежескошенную траву или другой органический материал, имеющийся в необходимом количестве), который будет являться одновременной кормовой добавкой, источником

азотсодержащих соединений в субстрате, материалом,

способствующим снижению средней концентрации нефти в

обрабатываемом субстрате за счет механического разбавления, и дополнительным источником

углеводородокисляющей микрофлоры. Вносится инертный материал - разрыхлитель (песок), производится вспашка участка, осуществляется внесение популяции дождевых червей, увлажнение

субстрата до оптимальной влажности. Предлагаемая технология основана на использовании местного вида дождевых червей Lumbricidus rubellus, адаптированных к климатическим условиям и почвам юга России. Нами

установлено, что дождевые черви L. rubellus могут выживать в нефтезагрязненных субстратах при концентрации нефти до б г/кг.

Поэтому использование

беспозвоночных ограничено этой концентрацией. При необходимости использовать вермикультуру для очистки субстратов с более высоким содержанием нефти необходимо использование модифицированной биотехнологии, предусматривающей проведение специальных

мероприятий, обеспечивающих

выживание дождевых червей и в более неблагоприятных условиях (до 12 г/кг). Активное размножение дождевых червей, неприхотливость к

Таблица 1

Последовательность обработки и необходимые материалы и механизмы

условиям питания и содержания, быстрый прирост биомассы и высокий процент белка в их теле обусловливают возможность их использования в промышленных целях, в том числе и для очистки субстратов.

Для реализации предлагаемой технологии следует обследовать загрязненную территорию: оценить масштабы загрязнения; отобрать пробы и провести химический анализ субстрата. Последовательность восстановительных мероприятий, материалы, машины и механизмы, требующиеся для их реализации, представлены в таблице 1.

Наименование работ Требующиеся материалы Требующиеся машины и механизмы

Внесение органического материала с механизированной загрузкой и разбрасыванием Листовой опад, свежескошенная или вяленая трава и др. Тракторы на пневмогусеничном ходу, разбрасыватели тракторные прицепные

Внесение неорганического материала с механизированной загрузкой и разбрасыванием Песок Тракторы на пневмогусеничном ходу, разбрасыватели тракторные прицепные

Сплошная обработка почвы по системе зяблевой вспашки - Тракторы на пневмогусеничном ходу, навесное сельскохозяйственное оборудование

Внесение червесубстрата Червесубстрат Тракторы на пневмогусеничном ходу, разбрасыватели тракторные прицепные

При проведении

восстановительных мероприятий в каждом конкретном случае требуется уточнение оптимальных количеств вносимых компонентов с учетом особенностей обрабатываемых субстратов. Дополнительное

внесение органических материалов в почву, таких, как навоз

сельскохозяйственных животных (конский, коровий, свиной) и птичий помет, способствует ускорению процессов очистки почвы от соединений нефти. Кроме того, наполнители улучшают структуру субстрата, оптимизируют ее

биологические, химические и физические свойства.

На территории юга России наиболее распространены

следующие типы почв: черноземы, светло-каштановые, темнокаштановые, песчаные,

слабозасоленные каштановые и суглинки. Расчет необходимых количеств листового опада, песка, червесубстрата производится с учетом типа субстрата и исходного уровня загрязнения углеводородами нефти. Данные для расчета представлены в таблице 2.

Таблица 2

Рекомендуемые параметры обработки нефтезагрязненных

субстратов

Исходная

Вид

Оптимальное количество

Поправ. коэф., Влажность, Миним глубина

конц. нефти, г/кг субстрата Органич. материала 1_, % масс Песка Р, % масс Червей в, экз/кг К % обраб., h, м

1 Чернозем 10 5 20 1,10 65-70 0,1

2 15 5 20 1,15 65-70 0,1

3 20 5 20 1,20 65-75 0,2

1 Сопрапель 5 5 20 1,10 65-75 0,1

2 10 5 20 1,15 65-75 0,1

3 15 5 20 1,20 65-75 0,2

1 Суглинки 15 10 20 1,10 65-70 0,1

2 20 10 20 1,15 65-70 0,1

3 20 10 20 1,20 65-75 0,1

1 10 5 20 1,10 65-70 0,1

2 Каштановая почва 10 5 20 1,15 65-75 0,1

3 15 5 20 1,20 65-70 0,1

1 Песчаная почва 15 - 20 1,10 65-75 ,2 0,

2 2 О - 20 1,15 65-70 0,3

3 20 - 20 1,20 65-75 ,3 0,

1 Каштановые засол. почвы 15 5 20 1,10 65-70 0,2

2 20 5 20 1,15 65-75 0,2

3 20 5 20 1,20 65-70 0,2

Требуемое количество

органической добавки т0

определяется:

то = 0,01Э Ьр±

где Б - площадь обрабатываемого участка, м2; И - глубина обработки субстрата, м; р - плотность субстрата, кг/м3; 1_ - оптимальное количество органического материала в субстрате, % масс (выбирается в зависимости от исходной концентрации нефти в субстрате по табл. 2).

Для определения требуемого количества песка тп:

тп = 0,01БЬ р Р

где Р - оптимальное количество песка в субстрате (выбирается в зависимости от исходной

концентрации нефти в субстрате по табл. 2).

При определении оптимальной численности популяции дождевых червей необходимо учитывать, что в изменившихся условиях происходит гибель примерно 10% особей. Для определения требуемого количества червесубстрата тчс:

тчс = К-Б-^ р^/Т

где К - коэффициент, учитывающий гибель особей при смене корма; О -

оптимальное количество червей в кг субстрата, экз/кг, (выбирается в

зависимости от исходной концентрации нефти в субстрате по табл. 2); Т -среднее количество червей в кг червесубстрата, экз/кг;

Контроль процесса снижения концентрации нефти в

обрабатываемом субстрате

производится периодически, не реже 1 раза в 2 недели. В целях контроля действенности проведенных

мероприятий по оздоровлению экосистем обязательны повторные исследования по окончании восстановительных работ на наличие остаточного загрязнения

нефтепродуктами, а также химических свойств почв в ряду: фоновый эталон

- загрязненная почва -восстановленная почва.

Процесс деструкции

нефтепродуктов протекает в период от нескольких недель до нескольких месяцев, а интенсивность биоразложения углеводородов нефти

- от 50 до 88% в месяц в зависимости от начальной концентрации нефти в субстрате.

Применение разработанной

технологии позволяет в течение 1 месяца снизить концентрацию нефти в субстрате на 60-80% в зависимости от исходной. На рис. 1 представлена зависимость остаточной

концентрации нефти в субстрате в зависимости от начального уровня загрязнения субстрата.

и

О Начальная концентрация

нефти в субстрате, г/кг

Рис. 1. Зависимость остаточной концентрации нефти в субстрате от начального уровня загрязнения

Деградацию нефтепродуктов на поверхности субстрата визуально можно установить по изменению цвета от серого до темно-рыжеватого. Агрегатный состав нефтепродуктов в почве изменяется от вязкой жидкости до легко распадающихся твердых частиц с запахом гнили во влажном состоянии. Кусочки субстрата с остатками разложившейся нефти не горючи. Более точные результаты получают на основании данных химического анализа остаточного содержания нефти в загрязненных почвах.

Рис. 2. Результаты

биотестирования очищенной светло-каштановой почвы

Эффективность предлагаемой технологии подтверждается

результатами биотестирования. Образцы нефтезагрязненной светлокаштановой почвы с начальной концентрацией нефти 3 г/кг были обработаны в соответствии с предлагаемой технологией. В качестве контроля использовалась загрязненная необработанная

светло-каштановая почва. По окончании процесса очистки образцы и контроль были засеяны тест-культурой, в качестве которой был выбран кресс-салат. Результаты биотестирования представлены на рис. 2.

Наибольшая величина биомассы тест-культуры была получена после применения комплексной

биотехнологии с использованием дождевых червей. Биомасса по сравнению с продуктивностью незагрязненного субстрата

увеличилась на 26%. При внесении в загрязненную почву листового опада в качестве органической добавки биопродуктивность почвы оказалась выше, чем в случае с незагрязненной почвой. Это подтверждает стимулирующее действие малых концентраций нефти на почвенную биоту [4, 5].

Предлагаемую технологию

биоочистки нефтезагрязненных

субстратов с вермикультуры

использованием

отличают

экономичность,

надежность и экологичность.

простота,

Примечания

1. Биршптехер Э. Нефтяная микробиология / Пер. с англ. Под ред. М. Ф. Двали и Т. Л. Симаковой. Л. : Государственное научно-техническое издательство нефтяной и горно-топливной литературы, 1957. 315 с. 2. Гамм Т.А. Технология рекультивации техногенно нарушенных почв // Экология и промышленность России, май 2003 г. С. 25-26. 3. Драчук С.В., Кокшарова Н.В., Фирсов Н.Н. Микрофлора почв, загрязненных нефтепродуктами // Экология. 2002. №2. С. 148-150. 4. Киреева Н.А., Мифтахова А.М., Кузяхметов Г.Г. Рост и развитие сорных растений в условиях техногенного загрязнения почвы // Вестник Башкирского университета. 2001. №1. С. 32-34. 5. Киреева Н.А., Бакаева М.Д., Тарасенко Е.М. Комплексное биотестирование для оценки загрязнения почв нефтью // Экология и промышленность России, февраль 2004 г. С. 26-29. 6. Пяткин К.Д, Кривошеин Ю.С. Микробиология. М. : Медицина, 1981. 512 с. 7. Терещенко Н.Н., Душников С.В., Пышьева Е.В. Рекультивация нефтезагрязненных почв // Экология и промышленность России, октябрь 2002 г. С.

17-19.

Статья поступила в редакцию 05.06.2009 г.