Биологическая очистка загрязненных нефтью и нефтепродуктами почв и водных акваторий

Для предварительной очистки от нефти больших количеств собранного грунта и нефтешламов широко используются разного рода центробежные аппараты, позволяющие выделить из грунта и шламов товарную нефть и достичь остаточного содержания нефти в грунтах не более 8%.К сожалению, при масштабах разливов нефти, допущенных в Западной Сибири, эти методы в большинстве случаев практически неприменимы из-за высокой стоимости работ или применимы в весьма ограниченных объемах. Тем не менее, подобные методы могут оказаться полезными при ликвидации шламовых амбаров, загрязненных нефтью, и небольших участков с высокой интенсивностью загрязнения.

Фиторекулътивация. После снижения содержания нефтепродуктов в почве на рекультивируемых участках до значений, обеспечивающих возможность роста и размножения наиболее нефтестойких зеленых растений, приступают к фиторекультивации загрязненных земель.

В естественных условиях, после предварительного сбора разлитой нефти при низкой степени остаточного загрязнения грунтов, самопроизвольное заселение пионерных видов растений, наиболее устойчивых к нефтяному загрязнению, начинается уже к окончанию первого года рекультивации, даже без предварительного рыхления почв. При средней степени загрязнения зарастание участка травами происходит обычно в течение 3-7 лет. А весь процесс самоочищения почвы с возобновлением естественных растительных сообществ продолжается в течение 80 — 100 лет [6].

Для ускорения процесса развития травостоя прибегают к посеву трав. На сильнозагрязненных участках, с полностью погибшей к началу рекультивационных работ растительностью, посев трав на 3 — 5 лет сокращает сроки заселения участков зелеными растениями.

Разумеется, видовой состав травосмесей будет сильно отличаться от видового состава растительности на соседних участках. Но в дальнейшем по мере самоочищения почвы, травосмесь будет замещаться сообществом растений, характерных для данного ландшафта. Однако, этот процесс длителен и не всегда возможен, поскольку изменения структуры и состава почвы, происходящие при рекультивации сильно загрязненных почв, могут носить необратимый характер.

Для фиторекультивации нефтезагрязненных земель используют наиболее доступные семена однолетних и многолетних трав, предпочтительно злаков, обладающих развитой корневой системой и повышенной устойчивостью к нефтяному загрязнению почвы. При этом следует предпочесть семена трав, характерных для местных болотных и лесоболотных экосистем и хорошо адаптированных к местным почвенно-климатическим условиям. Выбор семян конкретных растений зависит от особенностей ландшафта рекультивируемых земель [6]. Обычно используются смеси семян, содержащие не менее 3 видов трав. На суходольных участках в состав семенной смеси обязательно включается клевер ползучий, а на обводненных болотах — рогоз широколистный.

Следует отметить, что нередки случаи, когда даже после максимально полной ликвидации нефтяного загрязнения, восстановление травяного покрова на участке невозможно из-за засоления земель разливающейся вместе с нефтью пластовой высокоминерализованной водой (обычно хлоридно-натриевого типа с общей минерализацией 13 — 25 г/л). При содержании в почве хлоридов более 0,2% наблюдается выраженное угнетение роста большинства трав. При 0,3—0,35% — общепроективное покрытие травостоем снижается в 1,5—2 раза. При повышении содержания хлоридов в почвенном растворе до 1% и более развитие большинства видов трав невозможно. В таких случаях участок должен быть мелиорирован и многократно промыт проточной водой до снижения концентрации солей в почве. Пример технологии рассоления таких земель приведен в [6]. Выполнение специальных мероприятий по мелиорации и рассолению земель необходимо выполнять только после устранения нефтяного загрязнения участка.

После посева на участке должны вестись длительные наблюдения за ростом трав. По достижении устойчивого (в течение года) нормативного общепроективного покрытия участка, его рекультивация считается завершенной, а участок может быть представлен к сдаче. Дальнейшее самоочищение почвы на участке будет происходить самопроизвольно на протяжении многих лет. При этом рекультивированный участок должен быть обозначен вешками и аншлагами, запрещающими сбор ягод, грибов, сенокошение, выращивание продуктов питания и корма для животных.

Снятие этих ограничений возможно только после проведения специальных исследований, подтверждающих экологическую безопасность почв и растительности на участке, что и является достижением конечной цели рекультивации загрязненных нефтью земель.

Микробиологические способы очистки

При значительных площадях загрязнения земель и водоемов наиболее приемлемым методом очистки земель и вод является повсеместно применяемый в мировой и отечественной практике метод, использующий микробиологическое разложение нефти на месте разлива с последующим самозарастанием очищенных земель или высевом многолетних трав.

Этот метод достаточно прост в реализации и заключается в проведении на загрязненных землях ряда агротехнических мероприятий, направленных на активизацию почвенных нефтеокисляющих микроорганизмов, обладающих способностью использовать в качестве единственного источника питания углеводороды нефти, в конечном счете, окисляя их до СО2 и воды.

 Первичное окисление нефти  до органических кислот, спиртов, кетонов и альдегидов обеспечивается  именно углеводоро-докисляющими микроорганизмами [7]. На последующих этапах разрушения продуктов первичного окисления нефти в процесс вовлекаются и другие физиологические группы почвенных микроорганизмов, простейшие и водоросли, обычно обитающие в почве и водоемах. Учитывая сложный состав нефтей и неодинаковую способность разных групп углеводородокисляющих микроорганизмов к усвоению различных компонентов нефти, необходимо обеспечить воздействие на нефть возможно более сложного сообщества микроорганизмов.

К счастью, в составе микробных сообществ, сложившихся в почвах, и поверхностных водах на территориях месторождений нефти, присутствуют все необходимые микроорганизмы. Особенно активны эти сообщества на участках, постоянно, но не обильно загрязняемых нефтепродуктами, и на старых, но не особенно массированных разливах нефти.

Исключение могут составлять только участки, никогда ранее не подвергавшиеся загрязнению нефтью и нефтепродуктами. Но и в этих случаях в пробах почвы и воды обнаруживались до 103 кл/г углеводородокисляющих бактерий. Правда, их видовой состав не отличался разнообразием и был представлен, в основном, представителями рода Pseudomonas. Соответственно, их активность оказалась сравнительно невысокой. Однако, и в этом случае при создании благоприятных условий со временем развиваются весьма активные микробиоценозы.

 Таким образом, в подавляющем  большинстве случаев, характерных  для западносибирских месторождений  нефти, необходимые для быстрого  разрушения разлитой нефти микроорганизмы  уже содержатся в почве и  водоемах. Их численность, может быть, и невысока, но в результате проведенных рекультивационных мероприятий — внесения удобрений и т.д. — в течение нескольких суток она возрастает от единичных клеток в грамме почвы или воды до величин порядка 1012 — 1015 кл/г. И только в отдельных случаях, в условиях короткого сибирского лета для ускорения процесса очищения почвы от нефти оправдано внесение на рекультивируемые участки бактерийных препаратов на основе культур высокоактивных штаммов углеводородокисляющих микроорганизмов, выпускаемых рядом предприятий.

Из отечественных широкую известность приобрели препараты «Путидойл» на основе бактерий Pseudomonas putida, «Деворойл» на основе дрожжей Candida, «Биоприн», а также препараты группы «Биодеструктор» (табл.1) Весьма перспективным направлением является разработка микробных препаратов углеводородокисляющих микроорганизмов, иммобилизованных на твердых субстратах, способных сорбировать нефть.

Основными компонентами биопрепаратов являются экологически безопасные бактериальные биомассы природных сапрофитных штаммов (продуцентов) Acinetobacter bicoccum, Acinetobactervalentis, Arthrobacter sp., Rhodococcus sp., а также их различных сочетаний. Штаммы бактерий выделены из активного ила нефтеперерабатывающего завода и загрязненных нефтепродуктами образцов почвы, что устраняет проблему адаптации микроорганизмов к реальным условиям загрязнения.

Все штаммы, использованные для создания биопрепаратов, непатогенны, нетоксичны и не оказывают воздействия на ход естественных природных процессов.

Биопрепараты активно разлагают нефтепродукты в широком диапазоне температур (от 10 °С до 50 °С) и рН (от 3,0 до 9,0).

Таблица 1

Основные характеристики биопрепаратов серии "Биодеструктор"

Примечание: * - оптимальные значения.

При необходимости быстрой ликвидации загрязнения нефтью ограниченных участков земель целесообразно применение ферментных препаратов, не содержащих живых клеток, но сохранивших неповрежденные фрагменты ферментных систем углеводородокисляющих микроорганизмов, быстро разрушающих углеводороды нефти. Как правило, эти препараты содержат многочисленные добавки — витамины, микроэлементы и т.д., стимулирующие ускоренное развитие почвенной микрофлоры, разрушающей продукты первичного окисления нефтепродуктов ферментными добавками. Разработаны, но пока не нашли широкого применения отечественные препараты, содержащие ферментные системы углеводородокисляющих бактерий, иммобилизованные на поверхности твердого сорбента. К сожалению, эти препараты весьма дороги.

В любом случае, при использовании аборигенных микробных сообществ или при внесении микробных препаратов, необходимо создать в очищаемой среде оптимальные условия для развития и активной жизнедеятельности углеводородокисляющей микрофлоры:

-поступление кислорода к зоне жизнедеятельности микроорганизмов;

-наличие в очищаемой среде легко усваиваемых водорастворимых минеральных веществ, в первую очередь, — калия, азота и фосфора;

-поддержание кислотности и влажности очищаемой среды в пределах, обеспечивающих жизнедеятельность микроорганизмов и достаточную активность ферментных систем.

На обеспечение этих условий и должны быть направлены основные усилия при проведении рекультивационных работ. И, как правило, для этого достаточно проведения обычных для сельскохозяйственной практики, агрохимических и агротехнических мероприятий.

При выборе конкретных форм минеральных азотных удобрений следует учитывать, что микроорганизмы, содержащиеся в препаратах серии «Биодеструктор», при внесении нитратного азота резко снижают углеводородо-окисляющую активность. Учитывая, что микроорганизмы родов Acinetobacter и Rhodococcus широко представлены в естественных микробных сообществах и играют значительную роль в процессах очищения почв от нефтепродуктов в природных условиях, к вопросу о применении нитратных форм азотных удобрений следует подходить с осторожностью. Предпочтение целесообразно отдавать безнитратным формам минеральных удобрений.

Реальные дозировки удобрений (в пересчете на К, Р и N), рекомендуемые для внесения на рекультивируемые участки при их первичной обработке, составляют: азота от 14 до 35 кг/га, калия от 11 до 27 кг/га и фосфора от 5 до 12 кг/га на каждые 5 см глубины перепашки грунта. При внесении удобрений в залитые водой углубления, амбары и загрязненные нефтью озерки, на каждые 1000 м3 воды целесообразно внесение не менее 28 кг азота, 22 кг калия и 10 кг фосфора. Эти дозировки обеспечивают концентрации К, N и Р в почвенном растворе в 5 раз ниже применяемых при составлении минеральных питательных сред для выделения и накопления углеводородокисляющих бактерий (УОБ) [8]. Но, учитывая, что высокие темпы развития УОБ обеспечиваются и при десятикратном разбавлении питательных сред, применение таких дозировок вполне оправдано. Лучшие результаты достигаются при внесении расчетного количества минеральных удобрений дробными дозами, в 2 — 3 приема с интервалами 3 — 7 суток. При первом внесении доза удобрений должна составлять 10—20% от расчетного количества. Этим достигается мягкая адаптация аборигенной почвенной микрофлоры к повышению содержания в среде усваиваемых минеральных веществ.