Рекультивация нефтезагрязненных земель
В настоящее время одной из наиболее перспективной технологии очистки нефтезагрязненных почв считается интродуцирование в почву различных комплексов микроорганизмов, отличающихся повышенной способностью к биодеструкции тех или иных углеводородных компонентов нефти и нефтепродуктов. В природных условиях биотрансформация нефти и нефтепродуктов осуществляется под воздействием комплекса самых различных групп организмов.
Цель исследования: Рассмотрение методов и способов обезвреживания нефтезагрязненных субстратов.
Скачать:
| Вложение | Размер |
|---|---|
| proekt_matveeva.rar | 948.46 КБ |
Предварительный просмотр:
Региональный этап всероссийской олимпиады школьников по экологии
Автор: Матвеева Елена Александровна
Ученица 11 «Б» класса МБОУ «СОШ №7»
Научные руководители: Сомкова Галина Михайловна
(учитель биологии МБОУ «СОШ №7»),
Матвеев Александр Юрьевич
(заместитель директора по производству
ООО «Индустриальный риск Ltd»)
г. Когалым, 2014 г.
Глава 1. Литературный обзор……………………………………………………….4
- Нефть как фактор загрязнения земель ХМАО — Югры………………….…..4
- Причины и последствия нефтяных разливов………………………………. 5
- Методы рекультивации. Рекультивация почвы и водоемов с помощью
биоразлагающих сорбентов…………………………………………………. 8
Глава 2. Объекты и методы исследования………………………………………..11
2.1 Характеристика объектов исследования……………………………………11
2.2 Методика исследования……………………………………………………. 11
Глава 3. Результаты собственных исследований и их обсуждение……………..14
3.1 Влияние микроорганизмов препарата на изменение концентрации нефти……………………………………………………………..…………. 14
3.2 Динамика биодеградации нефти…………………………………………….15
Актуальность исследования. Нефть является одним из основных факторов мирового экономического развития в 21 веке и остается важнейшим энергоресурсом на обозримое будущее. Нефтяное загрязнение – как по масштабам, так и по токсичности представляет собой общепланетарную опасность. Нефть и нефтепродукты вызывают отравление, гибель организмов и деградацию почв. Естественное самоочищение природных объектов от нефтяного загрязнения — длительный процесс, особенно в условиях Сибири, где долгое время сохраняется пониженный температурный режим. Поэтому исключительную актуальность приобретает проблема рекультивации нефтезагрязненных почв.
Гипотеза. В настоящее время одной из наиболее перспективной технологии очистки нефтезагрязненных почв считается интродуцирование в почву различных комплексов микроорганизмов, отличающихся повышенной способностью к биодеструкции тех или иных углеводородных компонентов нефти и нефтепродуктов. В природных условиях биотрансформация нефти и нефтепродуктов осуществляется под воздействием комплекса самых различных групп организмов.
Цель исследования: Рассмотрение методов и способов обезвреживания нефтезагрязненных субстратов.
Объект исследования: Нефтезагрязненная почва.
Предмет исследования: Микробиологическая рекультивация нефтяных загрязнений
- Оценить влияние рекультивационных работ на нефтяные загрязнения.
- Изучить возможные способы рекультивации.
- На протяжении месяца наблюдать и отмечать прогресс рекультивационных работ.
Новизна работы. Определяется недостаточной изученностью данной проблемы.
Практическая значимость. Устранения нефтяных разливов в 21 веке относятся к числу приоритетных, поэтому любые исследования данной темы имеют весомую практическую значимость.
Глава 1. Литературный обзор
- Нефть как фактор загрязнения земель ХМАО – Югры
Нефтегазодобывающая промышленность – одна из наиболее экологически опасных отраслей народного хозяйства. Она отличается большой землеемкостью, сильной загрязняющей способностью и высокой пожаро- и взрывоопасностью промышленных объектов (Васильев, 1998; Вершинин, 2005). На территории Ханты-Мансийского округа нефтедобывающая промышленность развивается преимущественно на землях гослесфонда и поэтому лесное хозяйство в первую очередь ощущает последствия ее деятельности (Чижков, 1998). Кроме того, значительно страдают болотные экосистемы (Зубайдулин, 1998).
Основными загрязняющими веществами, образующимися в процессе добычи и переработки нефти, являются углеводороды (48%) и оксид углерода (44%). Нефть содержит около 30 металлов, среди которых максимальные концентрации ванадия и никеля. В отличие от многих антропогенных воздействий, нефтяное загрязнение оказывает комплексное воздействие на окружающую среду и вызывает ее быструю отрицательную реакцию. Хронические разливы нефти, нефтепродуктов, соленых пластовых вод, выносимых эксплуатационными скважинами вместе с нефтью и газом, приводят к уменьшению продуктивности земель и деградации ландшафтов (Черных 2003, Солнцева 1988).
После разлива, как правило, сначала загрязняется нефтью органоминеральный слой почвы, но через 2 – 3 года углеводороды обнаруживаются на глубине до 140 – 160 см. На пашне глубина проникновения выше, чем на лугах. В лесотундровых ландшафтах Западной Сибири нефть поглощается органическим слоем почвы и, особенно, торфом, пористым грунтом. Препятствуют проникновению нефти вглубь барьеры – экраны (тяжелые грунты и глеевые горизонты), но по этим экранам нефть может мигрировать в горизонтальной плоскости. В насыщенную водой почву нефть глубоко не проникает, абсорбируясь с мхами, травой органогенным слоем. В верхнем слое обычно задерживаются смолы и асфальтены, а легкие фракции нефти могут проникать в грунтовые воды, но чаще в течении года испаряются или разлагаются (Оборин, 1998).
Нефть, попадая в почву, существенным образом изменяет ее физические характеристики, поскольку обладает выраженными гидрофобными свойствами, которые передаются почвенным частицам. Нефть обволакивает структурные единицы почвы пленкой, нарушая водный обмен, перенос активных соединений (Габбасова, 2002). К числу наиболее выраженных последствий загрязнения почвы нефтью следует отнести тенденцию к подкислению. Вскоре после разлива нефти обнаруживается обеднение почвы элементами минерального питания, особенно азотом. Из – за ухудшения водного режима, аэрации как правило, сначала резко увеличивается содержание аммиачного азота и уменьшается до следовых количеств нитратного. Ухудшение обеспеченности почв элементами минерального питания многие исследователи связывают с ингибированием ферментативной активности почв, в частности фосфогидролезной (Андреева, 2005)
Даже при небольшой концентрации нефти в почве (0,4%) ингибируется ферментативная активность главным образом азотного цикла, наиболее устойчивы ферменты, трансформирующие вещества циклической природы (гумус, углеводороды). Низкие дозы нефти стимулируют, а высокие ингибируют активность оксиредуктаз, полифенолоксиды с длительным восстановлением активности (Алехин, 1998).
Наиболее токсичными компонентами нефти являются полициклические ароматические углеводороды, а их в нефти 1 – 4%. Особенно опасен бензонирен (Оборин, 1998).
Попадая в почву, нефть слабо разлагается особенно при низких температурах. Показано, что фракции нефти цементируют почву, закупоривают поры, препятствуют проникновению в почву кислорода и воды (Алиев, 1977).
Таким образом, загрязнение почв нефтью и нефтепродуктами изменяет морфологические, физические, физико-химические и микробиологические свойства почв.
- Причины и последствия нефтяных разливов
Разлив нефти может произойти как при ее добыче, транспортировке и хранении, так и при переработке и применении в технологических процессах. Помимо этого причинами нефтезагрязнения зачастую становится физический износ оборудования или его механические повреждения. Лидирующие позиции по числу аварийных разливов нефти и нефтепродуктов занимают магистральные и внутрипромысловые продуктопроводы. Подавляющее большинство ЧП здесь связано с коррозией оборудования, некачественными строительно-монтажными работами, и лишь незначительная часть — с заводским браком и ошибками эксплуатации.
ХМАО – Югра занимает первое место в РФ не только по добыче нефти, но и по количеству аварий на трубопроводах. Анализ официальных данных по аварийности в системе нефтесбора на территории ХМАО за 14 лет показывает, что в среднем за год происходит от 1600 до 2000 аварий (Вершинин Ю.А., Зубайдулин А.А.)
Согласно статистическим данным, предоставленным Росприроднадзором по ХМАО – Югре в отчете по состоянию на 2012 – 2013 г.г., положение с загрязнением земель округа и их рекультивацией выглядит так:
при разработке месторождений полезных ископаемых (включая общераспространенные полезные ископаемые)
вследствие утечки при транзите нефти, газа, продуктов переработки нефти
Наличие нарушенных земель на 01.01.12 г. — всего
в том числе отработано
За отчетный 2012 г. нарушено земель — всего
Отработано из общей площади нарушенных земель
Рекультивировано земель — всего
Наличие нарушенных земель на 01.01. 13 г. — всего
в том числе отработано
Природоохранное законодательство РФ предписывает локализацию и ликвидацию разливов нефти и нефтепродуктов в кротчайшие сроки, а также доведение до допустимого уровня остаточного содержания углеводородов в окружающей среде. Должны быть проведены работы по рекультивации земель, полностью или частично утративших продуктивность в результате разлива нефти. Рекультивируемые земли, прилегающие к ним территории и водные резервуары, после завершения всего комплекса работ, должны представлять собой оптимально организованный и экологически сбалансированный устойчивый ландшафт. Согласно постановлению Правительства РФ «О неотложных мерах по предупреждению и ликвидации аварийных разливов нефти и нефтепродуктов» на каждом предприятии должен быть разработан план по предупреждению и ликвидации аварийных разливов нефти и нефтепродуктов (ПЛАРН). Однако на практике большинство предприятий не только не разрабатывают ПЛАРН, но и не имеют в наличии технических средств и материалов для устранения аварийных разливов нефти и нефтепродуктов.
Экологические последствия разливов нефти имеют трудно прогнозируемый характер, поскольку невозможно учесть все последствия нефтяного загрязнения, нарушающего естественные процессы и взаимосвязи. Разливы нефти существенно изменяют условия жизни всех видов живых организмов на его территории.
Нефть и нефтепродукты нарушают состояние покровов почвы, деформируют структуру биоценозов. Беспозвоночные почвенные микроорганизмы и бактерии, подвергшиеся интоксикации легкими фракциями нефти, не способны качественно выполнять свои важнейшие функции, возложенные на них природой.
При разливе нефти в пресном водоеме местное население может испытать трудности с питьевой водой, так как коммунальным службам становится сложнее очищать воду, поступающие в водопроводы.
Долгосрочный эффект подобных техногенных катастроф оценить сложно. В среде ученых есть две противоположные точки зрения. Одна группа считает, что разливы нефти способны оказывать негативное воздействие на экосистему на протяжении долгих лет и десятилетий, другая придерживается мнения, что последствия разливов достаточно серьезны, однако, пострадавшие экосистемы способны восстановиться за относительно небольшой срок ( http://www.saveplanet.su/ )
- Методы рекультивации. Рекультивация почвы и водоемов с помощью биоразлагающих сорбентов
В ХМАО – Югре в основу рекультивации загрязненных нефтью земель положен метод отчистки на месте разлива, основывающийся на способности наземных биогеоценозов к самоочищению почв (за счет испарения, вымывания, деструкции нефти под воздействием атмосферного кислорода, солнечной радиации, биодеградации) и к последующему восстановлению своих биоценотических характеристик (Вершинин Ю.А.)
Суть выполняемых рекультивационных работ состоит в ускорении процессов естественного самоочищения почв, в максимальной мобилизации внутренних ресурсов биогеоценозов на восстановление своих первоначальных функций при помощи комплекса различных агротехнических и агрохимических мероприятий (Зубайдулин А.А).
Восстановление нефтезагрязненных земель является в настоящее время одним из сложных и в то же время малоизученных объектов рекультивации. Во всех мероприятиях, связанных с ликвидацией последствий загрязнения, с восстановлением нарушенных земель, необходимо исходить из главного принципа: не нанести экосистеме больший вред, чем тот, который уже нанесен при загрязнении (Пиковский, 1985).
Попадая в окружающую среду, ископаемые углеводороды, в частности нефть и продукты ее переработки, не только губят флору и фауну, но и наносят прямой вред здоровью человека. Положение усугубляется тем, что решение этого вопроса (как, впрочем, и большинство других экологических проблем) долгие годы откладывалось на будущее. В связи с этим нам кажется актуальным поднятие вопроса о снижение риска аварий на предприятиях, перерабатывающих нефть и занимающихся транспортировкой и распространением нефтепродуктов (Терещенко, 2004).
Среди методов ликвидации нефтяных загрязнений почв выделяются следующие группы методов:
- Механические: обваловка загрязнения, откачка нефти в емкости насосами и вакуумными сборщиками. Проблема очистки при просачивании нефти в грунт не решается, замена почвы. Вывоз почвы на свалку для естественного разложения (Терещенко, 2004).
- Физико-химические:
- Сжигание (экстренная мера при угрозе прорыва нефти в водные источники). В зависимости от типа нефти и нефтепродукта таким путем уничтожается от 1/2 до 2/3 разлива, остальное просачивается в почву. При сжигании из-за недостаточно высокой температуры в атмосферу попадают продукты возгонки и неполного окисления нефти. Землю после сжигания необходимо вывозить на свалку (так называемая «горелая земля»);
- Предотвращение возгорания. Применяется при разливах в цехах, жилых кварталах, на автомагистралях, где возгорание опаснее загрязнения почвы; в этом случае изолируют разлив сверху противопожарными пенами или засыпают сорбентами (Терещенко, 2004);
- Промывка почвы. Проводится в промывных барабанах с применением ПАВ, промывные воды отстаиваются в гидроизолированных прудах или емкостях, где впоследствии производится их разделение и очистка;
- Дренирование почвы. Разновидность промывки почвы на месте с помощью дренажных систем; может сочетаться с биологическими методами, использующими нефтеразлагающие бактерии;
- Экстракция растворителями. Обычно осуществляется в промывных барабанах летучими растворителями с последующей отгонкой их остатков паром;
- Сорбция. Сорбентами засыпают разливы нефтепродуктов на сравнительно твердой поверхности (асфальте, бетоне, утрамбованном грунте) для поглощения нефтепродукта и снижения опасности пожара (Терещенко, 2004);
- Термическая десорбция (крекинг). Применяется при наличии соответствующего оборудования, но позволяет получать полезные продукты вплоть до мазутных фракций;
- Химическое капсулирование. Новый метод, заключающийся в переводе углеводородов в неподвижную нетоксическую форму (Терещенко, 2004).
- Биологические:
- Фитомелиорация. Устранение остатков нефти путем высева нефтестойких трав (клевер ползучий, щавель, осока), активизирующих почвенную микрофлору; является окончательной стадией рекультивации загрязненных почв (Терещенко, 2002);
- Биоремидиация. Применение нефтеразлагающих бактерий; необходима запашка культуры в почву, периодические подкормки растворами удобрений; ограничения по глубине обработке, температуре почвы; процесс занимает 2-3 сезона (Терещенко, 2002).
В настоящее время рекультивация нефтезагрязненных земель проводится, как правило, без достаточного научного обоснования. При сжигании нефти, засыпке загрязненных участков грунтом, вывозе загрязненной почвы в отвалы, т.е. при ликвидации разливов нефти на почвы последствием часто может быть необратимое уничтожение плодородного слоя почвы. Такие способы рекультивации совершенно неприемлемы. Механические и физические методы не могут обеспечить полного удаления нефти и нефтепродуктов с почвы, а процесс естественного разложения их в почвах чрезвычайно длителен, поэтому в настоящее время наиболее приемлемыми являются биологические методы (Терещенко, 2004).
Глава 2. Объекты и методы исследования.
2.1 Характеристика объектов исследования
Исследования проводили в модельных опытах и лабораторных условиях в декабре 2013 г. Объектами исследования в модельных опытах служила загрязненная нефтью песчаная почва. Для микробиологической рекультивации использовали биопрепарат «Ленойл».
Биопрепарат «Ленойл» разработан в Институте Биологии Уфимского Научного Центра Российской Академии Наук на основании результатов лабораторных и полевых работ по рекультивации нефтезагрязнённых земель. Биопрепарат «Ленойл» состоит из клеток микроорганизмов, обладающих углеводородокисляющей активностью и концентрацией не менее 10 8 клеток в грамме препарата.
Препарат, обладая высоковыраженной активностью в отношении углеводородов нефти и нефтепродуктов, переводит их в экологически нейтральные соединения и способствует ускорению рекультивации загрязненных объектов. Объектами применения могут быть почвы и воды, загрязненные нефтью и нефтепродуктами.
Так как биопрепарат не рассчитан на применение в зимнее время года, в лаборатории поддерживалась постоянная температура 20 о С.
2.2 Методика исследования
Для исследовательских работ мы использовали два сосуда с загрязненной нефтью песчаной почвой: непосредственно исследуемый (микробиологическая очистка) и контрольный (естественная очистка). В каждом мы предварительно замешали по 75 см 3 (1087,5 г) песка с 25 см 3 (212,5 г) нефти. То есть вес песчано-нефтяной смеси в каждом сосуде составил 1300,0 г.
Подготовка рабочей суспензии из сухого биопрепарата «Ленойл».
- 20 грамм биопрепарата растворить в 5 литрах воды;
- В разведенную смесь добавить 2 см 3 дизтоплива (необходимое микроорганизмам для питания);
- Оставить получившуюся массу на 24 часа, периодически помешивая и взбалтывая.
