токсическое нефть почва микробиологический В последнее время все чаще можно услышать о загрязнении почв или водоемов нефтью и нефтепродуктами. Источниками загрязнения являются предприятия нефтегазодобычи, нефтепереработки, транспорта нефти и нефтепродуктов, которые при проведении регламентных работ наносят весьма ощутимый вред окружающей среде.
Ежегодно в мире при добыче, транспорте, хранении и использовании теряется около 50 миллионов тонн нефти и нефтепродуктов.
Эти загрязнители, попадая в почву, вызывают в ней значительные, порой необратимые изменения: образование битуминозных соланчаков, гудронизацию, цементацию и т. п.
В результате нарушения почвенного покрова усиливаются нежелательные природные процессы: эрозия почв, дефляция, криогенез.
Попадая в окружающую среду нефтепродукты оказывают губительное действие на живые организмы и нарушают условия их обитания.
Проблема охраны окружающей среды от загрязнений нефтью и нефтепродуктами, а также их утилизации приобретает все большую остроту в связи с ограниченностью возможностей, а иногда и экологической небезопасностью применения для этих целей механических, физических и химических способов очистки.
В связи с этим актуальной является возможность использования для очистки от загрязнений нефтью и нефтепродуктами микроорганизмов, способных расти и проявлять активную деятельность в среде с высоким содержанием нефти и нефтепродуктов, способных к биодеструкции этих веществ.
Цель работы: разработать проект реабилитации нефтезагрязненных почв при помощи микроорганизмов на примере Усинского района Республики Коми.
В соответствии с поставленной целью выделим следующие задачи:
- Изучить характеристики нефти и нефтепродуктов;
- Изучить воздействие нефти и нефтепродуктов на почву и почвенную биоту;
- Рассмотреть мероприятия по рекультивации почв загрязненных нефтью и нефтепродуктами;
- Разработать систему мероприятий по снижению нефтяного загрязнения почв в Усинском районе;
- Рассчитать экономические затраты на реабилитацию почв.
1. Загрязнение почвы нефтью и нефтепродуктами При ежегодной мировой добыче нефти 2 млрд 500 млн т в год теряется около 50 млн т, или примерно 2%. Земли и воды загрязняются при добыче нефти, транспортировке ее и ее продуктов, переработке, хранении, заправке машин топливом в результате аварий, утечек, протечек, испарений. Опасны не только крупные аварии на водном и железнодорожном транспорте, при прорыве нефтепроводов, но и мелкоочаговые загрязнения вокруг многочисленных мелких баз хранения и распределения топливно-смазочных материалов (ТСМ), топливозаправочных станций, при хранении и ремонте техники. Например, в Российской Федерации имеется около 36 тыс. хозяйственных баз ТСМ и около 2500 районных баз, через которые ежегодно проходит примерно 10 млн т бензина и 20 млн т дизельного топлива. Из-за несовершенства оборудования этих баз, небрежного обращения с нефтепродуктами их потери на испарение, утечки и проливы по приближенным оценкам составляют около 0,4…2,3% годового оборота. Иными словами, в год потери нефтепродуктов на хозяйственных базах составляют от 120 до 690 тыс. т. В этих же пределах находятся и потери на районных базах. Несмотря на сравнительно небольшие потери, приходящиеся на одну базу, они представляют большую экологическую опасность, так как создают мелкоочаговое, но практически равномерное загрязнение обжитых районов страны. Поэтому очень важно принятие неотложных мер по всемерному сокращению потерь нефтепродуктов, а также по очистке загрязненных территорий.
Влияние нефти и нефтепродуктов на окружающую среду
... присутствуют в почвах нефтедобывающих районах России в ранние сроки после загрязнения. Нефть и нефтепродукты оказывают влияние ... авария долгое время оставалась наиболее разрушительной для экологии катастрофой, которая когда-либо происходила на море. ... обследования загрязненных нефтью почв Азербайджана показали, что уже через год в почве сохранилось около 30 % остаточной нефти, более прочно ...
1.1 Характеристика нефти и нефтепродуктов Нефть — сложная смесь алканов (парафиновых или ациклических насыщенных углеводородов), циклоалканов (нафтенов) и аренов (ароматических углеводородов), различной молекулярной массы, а также кислородных, сернистых и азотистых производных углеводородов. Нефти различных месторождений по углеводородному составу неодинаковы. Для нефти всех месторождений характерно, с одной стороны, огромное разнообразие видов, с другой — наличие преимущественно одинаковых элементов в ее составе и структуре, сходство по некоторым параметрам. Элементарный состав разнообразных видов нефти во всем мире изменяются в пределах 3−4% по каждому элементу.
Главные нефтеобразующие элементы: углерод (83−87%), водород (12−14%), азот, сера, кислород (1−2%, реже 3−6% за счет серы).
Десятые и сотые доли процента нефти составляют многочисленные микроэлементы, набор которых в любой нефти примерно одинаков.
Легкая фракция, куда входят наиболее простые по строению низкомолекулярные метановые (алканы), нафтеновые (циклопарафиновые) и ароматические углеводороды, — наиболее подвижная часть нефти. В состав средних и тяжелых фракций входят арены с более короткими боковыми цепями.
Содержание алканов в различных нефтях колеблется от 2 до 50% и более.
Из нефти и природных газов выделены все алканы нормального строения, начиная от метана до гексатриаконтана С36Н74.
Нефти классифицируются: по содержанию в них углеводородов (химическая классификация); по содержанию серы, парафинов и качеству получаемых продуктов (технологическая классификация).
От относительного содержания алканов нормального и изостроения зависит тип нефти. По классификации Петрова нефти делятся на четыре химических типа:
Метановые или парафиновые нефти типа А1 характеризуются высоким содержанием нормальных алканов (до 15−16%) в характерной фракции, которое превышает содержание изопреноидных алканов. Например, нефть месторождений — Сургут, Самотлор и др.
Нефти типа А2 относятся к парафинонафтеновым. Содержание алканов в них несколько ниже, чем в А1, и может достигать в характерной фракции 25−30%, а циклоалканов — 60%. К нефтям этого типа относятся нефти Южного Каспия, Прикаспия и др.
Прямая перегонка нефти
... различным давлением насыщенных паров, то говорить о температуре кипения нефти нельзя. В условиях лабораторной перегонки нефти или нефтепродуктов при постепенно повышающейся температуре отдельные компоненты ... маc. и только в некоторых парафинистых нефтях типа Мангышлакской достигает 40-50 %. С повышением молярной фракций нефти содержание в них алканов уменьшается. Попутные нефтяные и природные газы ...
В составе нафтеновых нефтей типа Б2 резко преобладают циклоалканы, содержание которых в характерной фракции может достигать 60−75%, а алканов — 5−30%. Типичными представителями нефтей данного типа являются нефти северного Кавказа.
Четвертая группа нефтей типа Б1 характеризуется по групповому составу как нафтеновая или нафтено — ароматическая. В этих нефтях практически полностью отсутствуют н-алканы и изопреноидные алканы и относительно мало содержание других разветвленных алканов (от 4 до 10%).
Примерами нефтей данного типа служат нефти западно-сибирских месторождений: Грязевая Сопка, Сураханы, Балаханы и др. [1,9].
В нефти выделяют углеводородную, асфальто-смолистую части, порфирины, серу и зольную часть.
К углеводородной части относят алканы, ароматические углеводороды, циклоалканы.
Таким образом, алканы в различных пропорциях в состав всех нефтей. Содержание ароматических углеводородов в нефтях колеблется от 15 до 50% масс. Во многих нефтях по суммарному содержанию над другими классами углеводородов преобладают циклоалканы: их содержание колеблется от 25 до 75% масс. Они присутствуют во всех нефтяных фракциях.
Кроме того, нефть содержит смолы и асфальтены, основной структурной единицей которых являются конденсированные ароматические и нафтеноароматические циклы, а также соединения серы , азота , кислорода и металлов. Асфальто-смолистая часть нефти — это темноокрашенное вещество. Оно частично растворяется в бензине. Растворившаяся часть называется асфальтеном, не растворившаяся — смолой. В составе смол содержится кислород до 93% от общего его количества в нефтях.
Сера в нефти частично находится в виде Н2S (до 0,03%), но главным образом в виде органических соединений 4 классов: тиолов (или меркаптанов), сульфидов, дисульфидов, тиофеновых производных.
Зольная часть — остаток, получающийся при сжигании нефти. Это различные минеральные соединения, чаще всего железо, никель, ванадий, иногда соли натрия.
К физическим свойствам нефти относят плотность, вязкость, температуры застывания, кипения и испарения, теплотворную способность, растворимость, электрические и оптические свойства, люминесценцию и др.
Нефть является сырьем для получения разнообразных продуктов, имеющих большое практическое значение. На первой стадии переработки из нее удаляют растворенные газообразные алканы, главным образом метан. Затем сырая нефть поступает на фракционную перегонку, или ректификацию. Продукты ректификации могут подвергаться дальнейшей переработке — процессам крекинга, риформинга, алкилирования, ароматизации.
Фракционная перегонка нефти позволяет получить ряд фракций с широким интервалом температур кипения.
Углеводородный газ- — смесь пропана и бутана, температура кипения которых ниже 20оС.
Бензиновая фракция (температура кипения от 20 до 200оС) содержит углеводороды от С5 до С11. Это самая ценная низкокипящая фракция нефти, которая после повторной ректификации дает ряд продуктов: петролейный эфир, или газолин (20−60оС), автомобильный бензин (60−100оС), авиационный бензин (100−120оС) и т. д. Как правило, выход бензиновой фракции не превышает 20% от массы нефти.
Лигроиновая фракция (температура кипения от 150 до 250оС) содержит углеводороды от С8 до С14. Лигрион применяется в качестве горючего для автотракторной техники.
Реферат химия нефти
... 50-100°C, тяжелые — при температуре выше 100°C. Разница в температуре кипения углеводородов используется для разделения нефти на температурные фракции. При нагревании нефти до 180-200 °С закипают ... на дно и образуют толстый слой ила. Затем начинается биохимическая стадия образования нефти. Микроорганизмы перерабатывают белки, углеводы и т.д. с ограниченным доступом к кислороду. В подростковом ...
Керосиновая фракция (температура кипения 180−300оС) включает углеводороды от С12 до С18. Керосин используется как топливо для двигателей реактивных самолетов и ракет, а также подвергается крекингу.
Газойль, или дизельное топливо (температура кипения 275−400оС), применяют в качестве топлива для дизельных двигателей.
Мазут — это остаток после перегонки нефти. Часто его используют в качестве топлива, а основное количество идет на повторную ректификацию уже при уменьшенном давлении (вакуум), что понижает температуры кипенья содержащихся в нем веществ. Первая фракция перегонки — соляровые масла. Их подвергают очистки (рафинированию) и применяют в качестве смазочных материалов. Из некоторых сортов нефти получают вазелин и парафин. Остатком после перегонки мазута является гудрон и асфальт, используемые в строительстве зданий и автодорог.
1.2 Формы нахождения нефти и нефтепродуктов в почвах В почвах нефть и нефтепродукты находятся в следующих формах:
- в пористой среде — в парообразном и жидком легкоподвижном состоянии, в свободной или растворенной водной или водно-эмульсионной фазе;
- в пористой среде и трещинах — в свободном неподвижном состоянии, играя роль вязкого или твердого цемента между частицами и агрегатами почвы, в сорбированном состоянии, связанном на частицах горной породы или почвы, в том числе — гумусовой составляющей почв;
- в поверхностном слое почвы или грунта в виде плотной органоминеральной массы.
Как свободные, так и малоподвижные связанные формы нефтепродуктов отдают летучие фракции в атмосферу, а растворимые соединения — в воду. Этот процесс полностью не прекращается со временем, так как микробиологические процессы трансформации углеводородов приводят частично к образованию летучих и водорастворимых продуктов их метаболизма.
1.3 Токсическое действие нефти и нефтепродуктов на почвенную биоту При нефтяном загрязнении тесно взаимодействуют три группы экологических факторов: 1) сложность состава нефти, находящегося в процессе постоянного изменения; 2) сложность, гетерогенность состава и структуры любой экосистемы, находящихся в процессе постоянного развития и изменения; 3) многообразие и изменчивость внешних факторов, влияющих на экосистему (температура, влажность, давление и др.).
Поэтому при оценке загрязненности нефтью территории необходимо учитывать сочетание этих факторов.
Известно, что нефть оказывает влияние на развитие почвенной биоты и ее биохимическую активность. Реакция почвенных микроорганизмов зависит от концентрации и индивидуальных особенностей микроорганизмов, а также от состава нефти.
Даже незначительное загрязнение нефтью вызывает снижение количества микроорганизмов и образованию углекислого газа. Нефть подавляет дыхательную активность и микробное самоочищение, изменяет соотношение между отдельными группами естественных микроорганизмов, угнетает процессы азотфиксации, нитрификации, разрушения целлюлозы, приводит к накапливанию трудноокисляемых продуктов. Известно, что наибольшее негативное воздействие оказывают нефть и нефтепродукты, содержащиеся в отходах. Например, при содержании в отходах 4−5% нефти и нефтепродуктов снижается активность окислительно-восставительных и гидролитических ферментов, что приводит к подавлению почвенной микрофлоры. При меньшем содержании данных загрязнителей эффект снижения биологической продуктивности почв характерен для периода от 3 до 6 месяцев, а затем наблюдается усиленное размножение азотфиксирующих, денитрифицирующих и сульфатвосстанавливающих бактерий, которые используют нефть и ее производные в качестве источника углерода и энергии, в результате чего происходят постепенное окисление и минерализация нефти [4,7].
Пиролиз нефти и коксование нефтепродуктов
... достаточно большое количество мусора, загрязненного нефтью и нефтепродуктами. И путем пиролиза можно максимально быстро и безопасно избавиться от подобного рода загрязнений, поскольку пиролиз мусора, содержащего нефть, является абсолютно безопасным с ...
При содержании в составе отходов более 5% нефти и нефтепродуктов видимой активности углеводородокисляющей бактериальной микрофлоры не отмечается даже по истечении 1 года. Данный уровень загрязненности отходов является критическим и поэтому необходимо использовать специальные агротехнические и агрохимические приемы, стимулирующие биологическую продуктивность почв (внесение удобрений, содержащих азот, фосфор и калий; интенсивная аэрация зоны нефтяного загрязнения; посев специальных трав, усиливающих деятельность углеводородоусваивающей бактериальной микрофлоры).
Из почвенных водорослей наиболее чувствительны к нефтяному загрязнению желто-зеленые и диатомовые, менее — сине-зеленые, особенно азотофиксаторы. Нефтяное загрязнение почвогрунтов ведет к резкому сокращению видового состава и численности водорослей в целом и активной части альгофлоры в частности. Стерилизующий эффект нефти на водоросли особенно ярко проявлен на глубине 10−20 см. Токсичность нефти и проникновение ее в глубь почвы зависит от типа хозяйственного использования почвы и на лугу проявляется меньше, чем на пашне; с увеличением увлажнения токсичность падает.
Общая особенность всех нефтезагрязненных почв — изменение численности и ограничение видового разнообразия педобионтов (микрофауны и микрофлоры).
Типы ответных реакций разных групп педобионтов на загрязнение неоднозначны.
Происходит массовая гибель почвенной мезофауны: через три дня после аварии большинство видов почвенных животных полностью исчезает или составляет не более 1% контроля. Наиболее токсичными для них оказываются легкие фракции нефти.
Комплекс почвенных микроорганизмов после кратковременного ингибирования отвечает на нефтяное загрязнение повышением валовой численности и усилением активности. Это относится к углеводородокисляющим бактериям, количество которых резко возрастает относительно незагрязненных почв. Воздействие нефти и нефтепродуктов на микроорганизмы определяется в первую очередь интенсивностью загрязнения. Наибольшая гибель наблюдается в зонах с максимальным нефтяным загрязнением.
Проведённые эксперименты по исследованию влияния нефти на инициированное микробное сообщество, позволили выделить четыре качественно отличных интервала концентраций внесённой в почву нефти.
Зона гомеостаза микробной системы почвы охватывает диапазон концентраций нефти (0- 0,7 мл/кг почвы), в котором все показатели стабильны и неотличимы от контроля. Организация и видовой состав микробного сообщества до этой дозы практически не изменяется. Общая биомасса микроорганизмов может несколько возрастать, что свидетельствует о стимулирующем действии низких концентраций нефти.
В зоне стресса (0,7−50 мл/кг почвы) значительно меняется организация амиллолитического состава сообщества, так как происходит перераспределение популяций микроорганизмов по степени доминирования.
Биологическая очистка загрязненных нефтью и нефтепродуктами почв ...
... ликвидируют загрязнения нефтью и нефтепродуктами [2]. 1)механические методы очистки почвы от нефти и нефтепродуктов. К ним относят обволоку загрязнения, замену почвы и откачку нефти в емкости, промывку почвы, сорбцию нефти и нефтепродуктов ... в воды залива вылилось 5 миллионов баррелей нефти. От разлива нефти пострадали рыболовная, туристическая, нефтяная отрасли прибрежных штатов США. Серьёзный урон ...
Зона резистентности определяется диапазоном концентраций нефти (50- 300 мл/кг почвы), в котором резко снижается видовое разнообразие и изменяется состав сообщества. Активно развиваются устойчивые (резистентные) к высоким концентрациям нефти популяции микроорганизмов. Негативный эффект от загрязнения почвы приводит к полному изменению доминирующих форм в сообществе, характерном для данной почвы.
Зона репрессии микробной системы почв — диапазон концентрации нефти выше 300 мл/кг почвы, в котором наблюдается полное подавление роста и развития микроорганизмов в загрязнённой почве.
В природе также проявляется острая токсичность высоких доз нефти для микробиоты. После внесения ксенобиотика в почву в ней обнаруживали только мёртвые тела зелёных и жёлто-зелёных водорослей.
В загрязняющем действии нефти и нефтепродуктов можно выделить два аспекта. В высоких концентрациях этот ксенобиотик — вещество с сильными токсическими свойствами по отношению ко всей почвенной биоте, но с весьма непродолжительным периодом токсикации. С течением времени токсическое действие нефти падает, а длительное снижение биологической продуктивности нефтезагрязнённых почв, вероятно связано с изменением важных свойств почвы.
Также нужно отметить, что неблагоприятное влияние загрязнения почв нефтью через пищевые цепи может негативно воздействовать и на человека.
Нельзя также исключать возможность канцерогенного эффекта нефтяного загрязнения.
1.4 Изменение основных свойств почвы при длительном воздействии на неё нефтепродуктов Характер и степень влияния нефти на экосистему определяется видовым составом растительного покрова, объемом и свойствами ингредиента, временем года и другими факторами.
Наиболее токсичными являются углеводороды нефти с температурой кипения tк=150−175оС. Углеводороды с меньшей температурой оказываются либо малотоксичными, либо безопасными, особенно летучие фракции, которые испаряются с поверхности растений и почв, не успевая проникнуть через растительную ткань.
Загрязнение почвы нефтью и нефтепродуктами вызывает существенное изменение в морфологических свойствах почвы.
Нефть проникает в большинстве случаев на глубину 5−10 см. хотя иногда мощность битуминизированного слоя может достигать 40−50 см. При этом верхняя часть гумусосодержащего горизонта приобретает смолисто-черную окраску, происходит склеивание структурных отдельностей. В результате закупорки капилляров почвы нефтью сильно нарушается аэрация, создаются анаэробные условия, нарушается окислительно-восстановительный потенциал. В составе почвенного воздуха преобладают легкие токсичные фракции нефти. Битуминизирование ухудшает водопроницаемость почвы. Ее смачиваемость; талые и дождевые воды на замазученых участках не впитываются в почву, а стекают по склонам.
При загрязнении почвы нефтью и нефтесодержащими отходами происходит подщелачивание почвенных растворов, рН водной суспензии в верхних горизонтах повышается; увеличивается количество углеводородов, что ведет к возрастанию запасов углерода во всех генетических горизонтах; наличие нефти и нефтепродуктов в почве способствует подавлению реакций аммонификации, нитрификации, т. е. снижает самоочищающую способность почвы. К тому же при этом наблюдается образование двухвалентного железа, увеличивается содержание однои двухвалентных катионов в почвенном растворе, туда они поступают из нефтяной эмульсии, возрастает количество органических и минеральных коллоидов, связанных с поступлением загрязняющего вещества в почву. Это вызывает перестройку почвенно-поглощающего комплекса.
Вредное экологическое воздействие смолисто-асфальтеновых соединений на почву заключается не в химической токсичности, а в изменении вводно-физических свойств почвы. Обычно смолисто-асфальтеновые компоненты сорбируются в верхнем, гумусовом горизонте. При этом уменьшаются поры в почве. Гидрофобные смолисто-асфальтеновые компоненты, обволакивая корни растений, резко ухудшают поступление к ним влаги, в результате чего растения быстро погибают. Попадание смолистой нефти в почву приводит к нарушению структуры (склеивание почвенных частиц), нарушению почвенно-воздушного режима, сильному закислению, ингибированию биохимической активности. Установлено что. В естественных условиях при уровне загрязненности почв нефтью до 10% восстановление биоценоза требует до 10 лет, при более сильном загрязнении — несколько десятков лет [8, 10].
На воздухе смолистая нефть быстро густеет. Теряет подвижность, так как присоединяет кислород воздуха и происходит новообразование смол. Эти соединения малодоступны микроорганизмам, процесс их биодеструкции идет медленно.
Вследствие нарушения почвенных структур и диспергирования почвенных частиц снижается водопроницаемость почв. В загрязненных почвах резко возрастает соотношение между углеродом и азотом за счет углерода нефти, что ухудшает азотный режим почв и нарушает корневое питание растений.
На загрязненных участках формируется высокая фитотоксичность почвы, что объясняется избыточным содержанием в ней хлоридов, сульфатов и гидрокарбонатов натрия.
Одним из факторов повышения самоочищающей способности почвы является создание соответствующих условий для роста общей биогенности почвы и стимуляция деятельности нефтеразлагающей микрофлоры.
1.5 Допустимый уровень загрязнения почв Почвы считаются загрязненными нефтью и нефтепродуктами, если концентрация их достигает уровня, при котором:
- начинается угнетение или деградация растительного покрова;
- падает продуктивность сельскохозяйственных земель;
- нарушается природное равновесие в почвенном биоценозе;
происходит вытеснение одним-двумя бурно произрастающими видами растительности остальных видов, ингибируется деятельность микроорганизмов, исчезают виды альгофлоры, мезофауны и т. п. ;
- происходит вымывание нефти и нефтепродуктов из почв в подземные или поверхностные воды;
- изменяются водно-физические свойства и структура почв;
- заметно возрастает доля углерода нефти и нефтепродуктов в некарбонатном (органическом) углероде почв (до 10% и более от всего органического углерода).
В различных почвенно-климатических условиях концентрация нефти и нефтепродуктов в почвах, при которых почвы можно считать загрязненными, различна. Она зависит от природных условий, способности данного типа почв к самоочищению, от вида и скорости распада нефти и нефтепродуктов, их токсичности и др. В связи с большим разнообразием типа почв не может быть единого показателя загрязнения почв для всей территории России. В различных природных зонах и типах почв при одном и том же уровне загрязнения скорость самоочищения будет различной. Реакцию биогеоценоза на различные содержания нефти и нефтепродуктах в почвах в разных природных зонах можно установить только экспериментально. При этом необходимо учитывать, что большое значение имеет первоначальная нагрузка загрязняющих веществ на почву. При одном и том же уровне остаточного загрязнения экосистема может восстановиться или не восстановиться в зависимости от того, насколько начальный уровень загрязнения нарушил экосистему.
Минимальный уровень содержания нефти и нефтепродуктов в почвах, выше которого наступает ухудшение качества природной среды, можно назвать нижним допустимым уровнем концентрации. Такой уровень нефти и нефтепродуктов в почве в большинстве стран не установлен, так как он зависит от сочетания многих факторов: состава и свойств почв, климатических условий, вида нефти и нефтепродуктов, типа растительности и типа землепользования и требует достаточно длительного времени и средств. Эти нормы должны быть дифференцированы в зависимости от гидродинамических условий района и типа почв (10, https:// ).
Например, в Нидерландах для оценки загрязнения почв применяют три уровня: 1-й — фоновый с содержанием нефтепродуктов 50мг/кг почвы; 2-й — повышенное загрязнение (1000 мг/кг), при котором выявляют и устраняют причины загрязнения, организовывают мониторинг; 3-й — высокое загрязнение (5000 мг/кг) — служит основанием для проведения рекультивации и грунтовых вод. В Германии допустимое содержание нефтепродуктов в почве водоохранных зон и заповедников составляет 300 мг/кг; почв древних речных долин — 3000 мг/кг; водоразделов — 5000 мг/кг. Многие западноевропейские страны за верхний безопасный уровень со-держания нефтепродуктов в почве принимают 1000 мг/кг.
Для России в нефтедобывающих районах институт Геоэкологии РАН рекомендует безопасные уровни загрязнения грунтов нефтепродуктами в мерзлотно-тундровых и таежных районах до 1000 мг/кг, в таежно-лесных — до 5000 мг/кг, лесостепных и степных районах — до 10 000 мг/кг. За нижний безопасный уровень загрязнения грунтов принимают 1000 мг/кг, рекультивационные работы рекомендуют начинать при содержании нефтепродуктов — 5000 мг/кг.
В Республике Башкортостан предельно допустимое содержание нефтепродуктов принято 1000 мг/кг, в случае превышения не-обходимы рекультивационные работы. Для Москвы утверждено предельное содержание нефтепродуктов 300 мг/кг.
В отдельных регионах страны в качестве ориентировочно допустимых уровней используют «фоновые значения» содержания углеводородов в почве или такое содержание нефтепродуктов, при котором за счет самоочищающей способности почвы в течение одного года восстанавливаются продуктивность растений или микробиологические процессы.
Если учитывать, что фоновое содержание нефтепродуктов в грунтах для территории России изменяется от 10 до 500 мг/кг, а подавление микробиологических процессов на вновь загрязненных землях начинается при содержании нефтепродуктов 200…300 мг/кг, то для сельскохозяйственных земель ПДС нефтепродуктов не должно быть больше 300 мг/кг. Норматив содержания нефти и нефтепродуктов при рекультивации необходимо определять с учетом фонового содержания, характера загрязнения, вида нефтепродуктов, использования земель и природных условий, обусловливающих самоочищающую способность компонентов геосистем.
Для земель сельскохозяйственного назначения первого уровня рекультивации (низкий уровень загрязнения нефтью и нефтепродуктами) содержание их в почве 300… 1000 мг/кг, второго (средний и высокий уровень загрязнения) — 1000…5000 мг/кг, третьего (очень высокий уровень загрязнения) — более 5000 мг/кг. Для земель несельскохозяйственного назначения эти пределы следующие: 1-й уровень — 1000…5000 мг/кг, 2-й уровень — 5000… 10 000, 3-й уровень — свыше 10 000 мг/кг.
1.6 Естественная деградация нефти в почве Естественная деградация нефти в почве делится на три этапа.
На первом этапе в результате физико-химического выветривания происходит удаление из почвы низкомолекулярных составляющих нефти — газообразных и легколетучих соединений. С этими фракциями нефти в большей степени связаны токсические свойства нефти по отношению к почвенной биоте. Дальнейшая деградация нефти связана с деятельностью микроорганизмов.
Второй этап естественной микробиологической деградации нефти длится достаточно долго и сопровождается постепенным снижением количества остаточной нефти. Каждый последующий вегетационный период характеризуется в среднем потерей около20% остаточной нефти и через четыре вегетационных периода общее количество остаточной нефти в почве составляет 40- 45% от обнаруженного через один месяц после попадания. Более высокие темпы убыли нефти наблюдаются при внесении в почву известь и полном удобрении. Имеются сведения о том, что на данном этапе процессы биодеградации нефти идут в двух противоположных направлениях. С одной стороны, благодаря активности микроорганизмов происходит разложение нормальных алканов и простых ароматических углеводородов.
С другой стороны, в этот период образуются различные промежуточные продукты — ароматические и алифатические эфиры, альдегиды и кетоны, которые конденсируются в почве.
Таким образом, на втором этапе естественной деградации ксенобиотика в почве исчезают низкомолекулярные составляющие нефти, и почва обогащается полициклическими ароматическими углеводородами, смолами и асфальтенами.
Третий этап биоремедитации (самый длительный).
В почве в этот период присутствуют самые сложные компоненты нефти, трудно разлагаемые микроорганизмами [6, 10].
1.7 Мероприятия по рекультивации нефтезагрязненных почв Рекультивацию земель в зависимости от объемов нарушения в геосистеме и ее ранга можно ограничивать локальными мероприятиями или крупномасштабными проектами восстановления компонентов, свойств и нарушенных связей в ландшафте.
Комплекс рекультивационных работ представляет собой сложную многокомпонентную систему взаимоувязанных мероприятий, структурированных по уровню решаемых задач и технологическому исполнению.
Выделяют следующие этапы рекультивации:
- подготовительный — предпроектные и проектные работы, которые содержат концепцию, схему, обоснования инвестиций, инженерные изыскания, стадии проектирования (проект и рабочую документацию);
- технический — инженерно-техническая часть проекта, направленная на ликвидацию последствий антропогенной деятельности, создание техногенной составляющей, обеспечивающей восстановление и функционирование нарушенной геосистемы;
— биологический — завершающая часть проекта рекультивации, которая включает систему земледелия, озеленение, лесное строительство, биологическую очистку почв, агромелиоративные и фиторекультивационные мероприятия, направленные на восстановление процессов почвообразования и завершение формирования техноприродного (культурного) ландшафта.
Продолжительность выполнения этих этапов условно определяют как рекультивационный период, срок окончания которого обосновывается проектом на основе эколого-экономических расчетов. Рекультивационный период в зависимости от состояния нарушенных земель и их целевого использования может длиться от одного до нескольких лет. Однако рекультивация не заканчивается сроком окончания строительства, на сильно нарушенных землях необходимо длительное управление физико-химическими и биологическими процессами с использованием инженерно-экологических систем. Ориентировочно этот период может быть определен сроками восстановления компонентов природы, которые обеспечат устойчивость геосистемы и ее функционирования.
При проведении военных учений, геолого-разведочных, поисковых, изыскательских и других работ, не связанных с изъятием земель, сроки рекультивации определяются по согласованию с собственниками земли, землевладельцами, землепользователями, арендаторами.
Процесс рекультивации нефтезагрязненных земель, включает:
- удаление из состава почвы нефти и нефтепродуктов;
- рекультивацию земель (технический и биологический этап).
Рекультивация загрязненных нефтью и нефтепродуктами земель проводится в несколько стадий, сроки проведения которых должны быть указаны в проекте. Сроки и стадии рекультивации намечаются в соответствии с уровнем (степенью) и временем загрязнения (дата разлива), почвенно-климатическими условиями данной природной зоны, ландшафтно-геохимической характеристикой загрязненных земель и состоянием биоценоза.
Выделяются два уровня загрязнения:
умеренное загрязнение, которое может быть ликвидировано путем активизации процессов самоочищения техническими (агротехническими) приемами (внесением удобрений, поверхностной обработкой и глубоким рыхлением и т. д. );
- сильное загрязнение, которое может быть ликвидировано путем проведения специальных мероприятий, способствующих созданию аэробных условий и активизации углеводородоокисляющих процессов.
17.5.3.04
Если рекультивация земель в сельскохозяйственных целях нецелесообразна, создаются лесонасаждения с целью увеличения лесного фонда, оздоровления окружающей среды или защиты земель от эрозии; при необходимости создаются рекреационные зоны и заповедники.
Требования к рекультивации земель при рекреационном направлении должны включать: вертикальное планирование территории с минимальным объемом земляных работ, сохранение существующих или образованных в результате производства работ форм рельефа на стадии технического этапа.
Рельеф и форма рекультивированных участков должны обеспечивать их эффективное хозяйственное использование.
Рекультивируемые земли и прилегающая к ним территория после завершения всего комплекса работ должны представлять собой оптимально организованный и экологически сбалансированный устойчивый ландшафт.
При умеренном загрязнении достаточно проводить только технический этап рекультивации в расчете на самоочищение почвы.
Технический этап рекультивации Технический этап включает в себя проведение работ создающих необходимые условия для дальнейшего использования рекультивированных земель по целевому назначению или для проведения мероприятий по восстановлению плодородия почв (биологический этап).
Меры технической рекультивации — это ускорение процессов физического очищения почвы.
На техническом этапе происходит выветривание нефти, испарение и частичное разрушение легких фракций, фотоокисление нефтяных компонентов на поверхности почвы, восстановление микробиологических сообществ, развитие нефтеокисляющих микроорганизмов, частичное восстановление сообщества почвенных животных. Часть компонентов превращается в твердые продукты, что улучшает водно-воздушный режим почвы. Аэрация и увлажнение почвы в значительной мере способствуют интенсификации этих процессов, снижению концентрации нефти и более равномерному ее рассеиванию.
При проведении технического этапа рекультивации земель в зависимости от направления рекультивируемых земель должны быть выполнены следующие основные работы:
- грубая и чистовая планировка поверхности отвалов, засыпка нагорных, водоподводящих, водоотводных каналов;
- выполаживание или террасирование откосов;
- засыпка и планировка шахтных провалов;
- освобождение рекультивируемой поверхности от крупногабаритных обломков пород, производственных конструкций и строительного мусора с последующим их захоронением или организованным складированием;
- строительство подъездных путей к рекультивированным участкам, устройство въездов и дорог на них с учетом прохода сельскохозяйственной, лесохозяйственной и другой техники;
- устройство, при необходимости, дренажной, водоотводящей оросительной сети и строительство других гидротехнических сооружений;
- устройство дна и бортов карьеров, оформление остаточных траншей, укрепление откосов;
- ликвидация или использование плотин, дамб, насыпей, засыпка техногенных озер и протоков, благоустройство русел рек;
- создание и улучшение структуры рекультивационного слоя, мелиорация токсичных пород и загрязненных почв, если невозможна их засыпка слоем потенциально плодородных пород;
- создание, при необходимости, экранирующего слоя;
- покрытие поверхности потенциально плодородными и (или) плодородными слоями почвы;
- противоэрозионная организация территории.
Корчевка погибшей древесной растительности проводится корчевателями-собирателями. Перед началом работ участок разлива нефти разбивают на загоны шириной 10−15 м, которые должны иметь направление с востока на запад с тем, чтобы валы древесины были расположены с севера на юг, для улучшения условий сушки выкорчеванной древесины. Выбор схем движения агрегатов при расчистке площадей от замазученной древесно-кустарниковой растительности определяется характером местности.
При производстве горнопланировочных работ чистовая планировка земель должна проводиться машинами с низким удельным давлением на грунт, чтобы уменьшить переуплотнение поверхности рекультивируемого слоя. Для выполнения работ на переувлажненных торфяных грунтах применяются бульдозеры-болотоходы. При дальнейшей подготовке участка должно быть проведено глубокое безотвальное рыхление уплотненного горизонта для создания благоприятных условий развития корневых систем растений.
На тяжелых суглинистых почвах (особенно в южнотаежнолесной и лесостепной зонах) для которых опасность ветровой эрозии невелика, необходимо проводить рыхление, преимущественно отвальную обработку на глубину до 20 см. Эти участки остаются в течение технического этапа рекультивации в виде пара (пахотный участок без посева).
Там, где рыхление может привести к появлению эрозии, на загрязненных нефтью участках проводится поверхностная обработка на глубину 8−10 см с оставлением необработанных полос шириной 2−3 м поперек склонов или направлений господствующих ветров. В зонах распространения пород подверженных ветровой эрозии необходимо выполнять мероприятия предотвращающие дефляцию почв. Приемы закрепления перевеиваемых грунтов предусматривают:
- увеличение расчлененности рельефа путем устройства канав, валиков, валов, уменьшающих энергию ветропесчаного потока и способствующих аккумуляции переносимого ветром потока песка;
- устройство механических заграждений из местных материалов (кустарники, кустарнички, злаки), полимерных материалов (полиэтиленовая пленка), цементно-песчаных блоков;
- уменьшение подверженности песчаных грунтов выдуванию путем локального изменения их механического состава внесением тонкодисперсных (глинистых и суглинистых) грунтов или вяжущих веществ.
Сроки проведения технического этапа рекультивации определяются органами, предоставившими землю и давшими разрешение на проведение работ, связанных с нарушением почвенного покрова, на основе соответствующих проектных материалов и календарных планов. Время окончания технического этапа зависит от времени загрязнения, ориентировочно его можно прогнозировать по таблице [2, 3].
Таблица 1
Сроки технического этапа рекультивации
|
Время загрязнения в текущем году |
Окончание технического этапа |
|
|
Осень-зима |
Первая весна через год после загрязнения |
|
|
Весна-лето |
Весна следующего года |
|
Биологический этап рекультивации Биологический этап включает комплекс агротехнических и фитомелиоративных мероприятий, направленных на улучшение агрофизических, агрохимических, биохимических и других свойств почвы. Биорекультивация — это оптимизация физико-химического и биологического факторов очищения почвы.
Биологический этап выполняется после завершения технического этапа и заключается в подготовке почвы, внесении удобрений, биопрепаратов, подборе трав и травосмесей, посеве, уходе за посевами и направлен на закрепление поверхностного слоя почвы корневой системой растений, создание сомкнутого травостоя и предотвращение развития водной и ветровой эрозии почв на нарушенных землях.
Биологический этап осуществляется после полного завершения технического этапа по восстановлению плодородного слоя почвы в соответствии с ГОСТ 17 .5.3.06−85 и комплексе с механическими методами. При проведении данного этапа рекультивации должны быть учтены требования к рекультивации земель по направлениям их использования.
На сильно загрязненных нефтью и нефтепродуктами участках для ускорения процесса биодеградации нефти и нефтепродуктов могут вноситься биологические препараты, имеющие разрешение государственных служб. Использовать препараты следует согласно инструкции по их применению и по технологии, согласованной с местными органами Федерального агентства кадастра объектов недвижимости. Необходимым условием для успешной переработки нефти и нефтепродуктов нефтеокисляющими бактериями является величина активной реакции (рН) почвы, она должна быть не менее 6.5.
Внесение рабочих растворов биопрепарата на обрабатываемую поверхность осуществляется с помощью насоса и распылителя. При этом обеспечивается интенсивное рыхление очищаемого почвенного слоя [2, 10].
Дня внесения рабочей суспензии на небольших площадях загрязнений используются пожарные машины, мотопомпы, опрыскиватели, дождевальные аппараты и машины, на более крупных — агрегаты с большим объемом резервуара.
При проведении биорекультивации необходимо учитывать, что органические вещества и микроэлементы, содержащиеся в составе нефти, при определенной трансформации и снижении концентрации до 300 мг нефти на 1 кг почвы могут быть стимуляторами роста растений и пищевыми компонентами для почвенного биоценоза.
Биологический этап включает две стадии — пробный посев трав и фитомелиоративный с внесением минеральных удобрений и посевом устойчивых к загрязнению многолетних трав. При посадке растений следует избегать посадки деревьев хвойных пород, деревьев, кустарников и трав, выделяющих волокнистые вещества или опушенные семена.
Цель пробного посева трав — оценить остаточную фитотоксичность почвы, интенсифицировать процессы биодеградации нефти и нефтепродуктов и улучшения агрофизических свойств почвы, уточнить сроки перехода к заключительной стадии рекультивации.
Перед пробным посевом трав бобовых культур проводится вспашка (на глубину загрязнения), рыхление и дискование. Посев и уход за посевами осуществляются по нормам и технологиям, принятым в почвенно-климатической зоны. Высеваемые травы должны обладать способностью быстро создавать сомкнутый травостой и прочную дернину, устойчивую к смыву и выпасу скота, быстро отрастать после скашивания. Семена трав, предназначенные для посева, должны соответствовать требованиям стандарта и по посевным качествам быть не ниже II класса.
Семена бобовых трав следует по возможности скарифицировать. Перед посевом семена бобовых желательно подвергнуть инокуляции обработке бактериальными удобрениями (нитрагин).
Слежавшиеся минеральные удобрения перед внесением в почву необходимо измельчить и просеять через сито. В случае припосевного внесения удобрений смешивание их с семенами производится непосредственно перед посевом. Сульфат аммония, аммиачную селитру нельзя смешивать, рассеивать и заделывать в почву одновременно с известью. Суперфосфат и калийные удобрения целесообразно вносить вместе с известью.
Перед проведением биорекультивации нарушенных земель на кислых почвах предварительно проводят мелиоративные мероприятия, в том числе известкование почв. Дозы извести устанавливаются по справочным и нормативным документам, действующим в почвенно-климатической зоне.
В зависимости от дозы извести определяют способ ее заделки в почву. При внесении извести необходимо равномерно распределить ее по полю, лучше перемешать со всем пахотным слоем почвы. Это может быть достигнуто при заделке извести под культивацию.
При поверхностном внесении извести, дозы должны быть уменьшены до ½−1/5 от полной дозы. Малые дозы извести действуют на процесс нормализации кислотности почвы более эффективно в первый год после внесения [2,10].
Для известкования почв рекомендуется применять молотый известняк (известковая мука), известковый туф (ключевая известь), торфотуф.
На второй стадии биологического этапа спустя 1.5−2.5 года после загрязнения проводится посев многолетних трав. Он начинается, если пробный посев трав дал всходы не менее чем на 75% площади. Перед посевом многолетних трав проводится боронование, внесение минеральных удобрений, культивация почвы. Внесение удобрений проводится с целью интенсификации жизнедеятельности микробных сообществ в почве и увеличения биомассы растений, что, в свою очередь, способствует усилению процессов восстановления плодородия земель.
Для контроля за восстановлением земель и качеством выращенной биомассы одновременно проводится посев тех же культур по аналогичной технологии на контрольном (незагрязненном) участке на буферной площади между нефтезагрязненным участком и землями, используемыми для хозяйственных целей. Если зарастание на загрязненном участке составляет не менее 75% площади земель по сравнению с зарастанием на контрольном участке, то рекультивационные работы считаются законченными и участок следует передать землевладельцу.
17.5.3.04
Выбор видов трав проводится исходя из местных почвенно-климатических условий и рекомендаций зональной системы земледелия субъектов Российской Федерации.
При рекультивации нефтезагрязненных земель нужно учитывать модифицирующее действие нефти на основные свойства почвы и динамику естественной биодеградации нефти. Комплекс мероприятий по очистке почвы от нефтяного загрязнения включают два момента: 1) активизация абиотических физико-химических процессов деградации свежей нефти; 2) стимуляция почвенной углеводоокисляющей микрофлоры и фитомелиорация. Причём изменённые свойства загрязнённой почвы позволяют предположить направление необходимых воздействий, а поэтапность процесса естественной деградации нефти в почве указывает на наиболее рациональную последовательность отдельных мероприятий.
1.8 Перспектива применения биопрепаратов для ускорения процессов биодеградации нефтезагрязнений Разнообразная деятельность человека, связанная с варварской эксплуатацией среды обитания, привела к угрозе потери природных ресурсов Земли на рубеже веков и поставила задачу сохранения и защиты природы. Широкое применение в борьбе с загрязнением почв и водоемов нефтью и нефтепродуктами начинают получать биологические методы. Биологические методы имеют ряд преимуществ, в первую очередь — это экологическая чистота и безопасность, а также минимальное нарушение физического и химического состава очищаемых объектов. Большинство технологий биологической очистки являются дешевыми и не очень трудоемкими. Их эффективность высока при низких концентрациях нефтепродуктов.
Биологическая очистка чаще всего используется для удаления органических загрязнителей, азотных и фосфорных соединений. Биологические методы очистки можно подразделить на:
1) методы микробиодеградации загрязнителей;
2) методы биопоглощения и перераспределения загрязнителей.
Методы микробиодеградации основаны на деструкции загрязнителей различными видами микроорганизмов. Эффект достигается за счет активизации аборигенной микрофлоры или внесения в грунт определенных культур микроорганизмов, а также всевозможных комплексных препаратов. В результате этого микроорганизмы начинают активно поглощать загрязнитель и вызывать его деструкцию. Активизация биодеградации в нефтезагрязненных почвах и грунтовых водах достигается внесением минеральных удобрений. Ускоряют биодеградацию нефти целлюлозосодержащие отходы — солома, опилки. Эффективно внесение опилок со стимуляторами разложения нефти.
Методы внесения культур микроорганизмов применяются в тех случаях, когда необходимая аборигенная микрофлора отсутствует. Они могут применяться при массированном и аварийном загрязнениях, в сложных условиях, при отсутствии развитого естественного биоценоза. Достоинством этих методов является их селективность и возможность выведения штаммов микроорганизмов, разрушающих сложные токсичные соединения. Технологии микробиологического обезвреживания органических экотоксикантов основаны на активации аборигенной микрофлоры или внесении в грунт культур определенных микроорганизмов и создании оптимальной среды для их развития.
Простейшими способами активации микрофлоры являются механические рыхление, вспашка, дискование. Необходимым условием размножения микроорганизмов является создание оптимального температурного диапазона. Для ускорения миграции микроорганизмов в последние годы используют электрокинетическую активацию биодеградации. Ультразвук также способствует ускорению биодеградации экотоксикантов. Другим широко распространенным способом биоактивизации является улучшение аэрации почвы за счет добавок воздуха (продувка почв воздухом под различным давлением).
Необходимым условием биодеградации нефтяных загрязнений является внесение минеральных удобрений. Идеальной для биоразложения является нейтральная среда. Для нейтрализации щелочных грунтов вносят гипс, для нейтрализации кислых грунтов — известь. Одним из методов, обеспечивающих диспергирование нефтяных загрязнений и улучшающих контакт с микроорганизмами, является внесение поверхностно-активных веществ (ПАВ).
Сочетание применения ПАВ с внесением минеральных удобрений ускоряет биодеструкцию. Внесение культур микроорганизмов используется только при аварийных загрязнениях или при отсутствии развитого естественного биоценоза. Микроорганизмы-деструкторы нефтяных углеводородов известны давно и выделены из различных сред: пресных и морских вод, донных загрязнений, пластовых вод нефтяных месторождений, загрязненных нефтью почв и др. [6, 7].
Микроорганизмы, деградирующие нефть, являются обычными представителями биоценозов водоемов и почв загрязненных нефтью, принадлежащих в основной массе к родам: 1) из бактерийMicrococcus, Brevibacterium, Acinetobacter, Pseudomonas, Bacillus, Nocardia, Corynebacterium; 2) из грибов-Aspergillus, Penicillium, Streptomyces, Actinomucor; 3) из дрожжей-Candida, Torulopsis, Cryptococcus и др.
Микроорганизмы, выделенные из пластовых вод нефтяных месторождений в основном относятся к углеводородокисляющим, сульфатвосстанавливающим бактериям, денитрифицирующим, аммонифицирующим, метаноокисляющим, нитрифицирующим, тионовым, целлюлозоразрушающим.
После открытия способности микроорганизмов разрушать углеводороды прошло более полувека, прежде чем биологи перестали считать эти процессы микробиологической экзотикой. И лишь в последние 15−20 лет появилась убежденность, что это свойство широко распространено в мире микробов. Общепризнанным стало то, что микроорганизмы способны сравнительно легко превращать молекулы углеводородов-веществ, весьма устойчивых к действию химических реагентов.
Превращение веществ углеводородной природы осуществляется в основном двумя путями:
- В процессе культивирования микроорганизмов на средах с углеводородами, в качестве единственного источника углерода и энергии;
