способ биологической очистки донных отложений от нефти и нефтепродуктов

Формула изобретения

Способ биологической очистки донных отложений от нефти и нефтепродуктов, включающий аэрацию воды и/или флотацию донных отложений и внесение минеральных удобрений, отличающийся тем, что после предварительного сбора жидкой фракции нефти на дно водоема помещают малощетинковых червей семейства Tubificidae в количестве от 20 до 65 г/м ² и одновременно путем внесения азотных и фосфорных минеральных удобрений поддерживают концентрацию фосфора в воде 0,5-1,5 мг/дм ³, а азота не более 2 мг/дм³.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к охране окружающей среды, в частности к способам очистки донных отложений водоемов и водотоков, загрязненных нефтью и нефтепродуктами, а также донных отложений шламовых амбаров и резервуаров сточных вод нефтеперерабатывающих предприятий.

Известен способ очистки донных отложений (патент РФ 2246451, МПК 7 C02F 11/02). Очистку донных отложений осуществляют обезвоживанием суспензии донных отложений и воды и термообработкой осадка горячей водой при 80°С в течение 24 часов (3 раза). Затем проводят анаэробную биологическую очистку при температуре 20-25°С в течение 20 суток, аэробную стабилизацию в присутствии воздуха при 20-30°С в течение 24 часов. После биологической очистки осадок смешивают с грунтом и опилками в соотношении 1:1:1 и подвергают аэробной доочистке бактериальной биомассой. Остаточная концентрация углеводородов нефти в полученной смеси от 0,26 мас.% (2,6 г/кг) до 0,71 мас.% (7,1 г/кг).

Недостатками способа являются необходимость извлечения загрязненных донных отложений из водоема, необходимость строгого соблюдения температурного режима при очистке, образование смеси очищенных донных отложений с грунтом и опилками, которая нуждается в дальнейшем размещении, что приводит к усложнению процесса очистки.

Известен способ очистки воды водоемов и донных отложений от загрязнений нефтью и нефтепродуктами (патент РФ 2260652, МПК 7 Е02В 15/04, C02F 1/28). Для очистки воды водоемов размещают на поверхности воды активные боны, которые выполнены в виде матов из хлопчатобумажной или синтетической ткани и заполнены очищающим составом из алюмосиликатов, органических веществ и минеральных удобрений. В процессе очистки производят флотацию донных отложений. Способ позволяет проводить очистку донных отложений от нефти до ее остаточной концентрации 2,6 г/кг.

Основным недостатком способа является отсутствие прямого очищающего воздействия на донные отложения, а следовательно, недостаточно высокая интенсивность биодеструкции нефти в.донных отложениях. Данный способ подразумевает, в основном, сбор нефти, флотированной со дна на поверхность водоема, и последующую очистку поверхностного и приповерхностного слоев воды.

Основной технической задачей настоящего изобретения является разработка экологически безопасного и технологически простого метода биологической очистки нефтезагрязненных донных отложений водоемов и водотоков, а также донных отложений шламовых амбаров и резервуаров сточных вод нефтеперерабатывающих предприятий без извлечения отложений из водного объекта. Способ позволяет увеличить степень очистки и обеспечить остаточное содержание нефти и нефтепродуктов в донных отложениях не более 1,0 г/кг.

Основная техническая задача достигается тем, что в способе биологической очистки донных отложений с использованием червей семейства Tubificidae, включающем аэрацию и/или флотацию донных отложений и внесение минеральных удобрений, согласно предложенному решению, после предварительного сбора жидкой фракции нефти на дно водоема помещают малощетинковых червей семейства Tubificidae в количестве от 20 до 65 г/м² и одновременно вносят азотные и фосфорные минеральные удобрения, причем концентрация фосфора в воде составляет в пределах 0,5-1,5 мг/дм³, а азота не более 2 мг/дм ³.

Способ осуществляется следующим образом: на дно водоема, с которого предварительно собрана жидкая фракция нефти, вносятся малощетинковые черви семейства Tubificidae в количестве от 20 до 65 г/м² (в зависимости от исходного уровня загрязнения и типа донных отложений). Для активизации аборигенной микрофлоры, которая, с одной стороны участвует в деструкции нефти, а, с другой стороны, является пищей для червей, вносятся азотные и фосфорные минеральные удобрения. Необходимо поддерживать концентрацию фосфора в воде в пределах 0,5-1,5 мг/дм ³. Концентрация азота в воде должна составлять не более 2 мг/дм³, что обусловлено нормативами предельно-допустимых концентраций химических веществ для водоемов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования.

Для жизнедеятельности червей поддерживается концентрация растворенного кислорода в придонных слоях воды не менее 5 мг/л путем аэрации водоемов с использованием аэрирующих устройств. Аэрацию начинают не ранее чем через 24 часа после внесения червей. Из семейства Tubificidae использовались Limnodrilus hoffmeisteri и Tubifex tubifex, которые являются одними из наиболее распространенных и многочисленных видов. Обладая исключительно высокой экологической пластичностью, они населяют все пресноводные объекты. Эти черви встречаются на различных грунтах и глубинах, при различной концентрации кислорода. Проникая в глубь донных отложений, черви разрыхляют их. Поедая грунт из более глубоких слоев черви в процессе дефекации выбрасывают его на поверхность дна, тем самым также разрыхляя ее. Перемешивание донных отложений вследствие жизнедеятельности роющих организмов (биотрубация) обусловливает трансформацию различных соединений и их активное перемещение по профилю отложений, что также влияет на процессы обмена веществом между донными отложениями и водой. При реализации предложенного способа очистки нет необходимости в регулировании температурного режима, так как представители семейства Tubificidae являются обычными обитателями водоемов, в том числе в регионах с умеренным и бореальным климатом. Длительность цикла очистки составляет от 30 суток до достижения остаточной концентрации нефтепродуктов в донных отложениях менее 1,0 г/кг.

Пример 1. Проводили эксперимент по исследованию возможности использования червей семейства Tubificidae в биологической очистке донных отложений от нефти и нефтепродуктов с Limnodrilus hoffmeisteri Claparede, 1862. Длительность эксперимента составляла 30-90 суток от начала культивирования червей. В качестве субстрата для червей использовался озерный ил и смесь ила с песком в соотношении 1:1.

Гомогенизированный ил сметанообразной консистенции (400 г) равномерно распределяется по дну аквариума, загрязнялся нефтью в концентрациях 0,836-16,720 г/кг донных отложений (в пересчете на воздушно-сухой вес) и тщательно перемешивался лопаткой в течение 5 минут. Загрязненный ил находился в аквариумах в течение 7 суток для прохождения процессов сорбции нефти частицами ила; проводилось ежедневное перемешивание ила в течение 5 минут. Через 7 суток после загрязнения ила заливалось 3 литра водопроводной воды. В каждый аквариум вносили минеральные удобрения - аммиачную селитру и суперфосфат. Аквариумы аэрировались 15-17 часов в сутки. Средняя температура в аквариумах составила 23,8±0,2°С; содержание кислорода 7-8 мг/л. В одни из аквариумов помещали 0,46 г или 1,5 г взрослых Limnodrilus hoffmeisteri (20 и 65 г/м ² соответственно), другие оставляли без червей.

В аквариумах, где черви не культивировались, по результатам измерений средняя толщина слоя ила составила 12,10±0,11 мм. В аквариумах с червями толщина слоя ила визуально отличалась и была больше - 19,83±0,15. Толщина слоя в аквариумах с червями достоверно отличалось от слоя в аквариумах без червей (t-критерий Стьюдента, р<0.001). Лимнодрилусы выживали при высоких концентрациях нефти. Во всех аквариумах с червями было обнаружено большое количество молоди лимнодрилусов (тысячи экземпляров). В таблице приведены экспериментальные данные по концентрации нефти и нефтепродуктов в донных отложениях для ила и ила с песком (1:1) при разном количестве червей семейства Tubificidae

Таблица 1
Тип донных отложений	Навеска червей, г/м2	Исходная концентрация нефтепродуктов в донных отложениях (в пересчете на сухой вес), г/кг	Концентрация нефтепродуктов в донных отложениях через 30 суток	Конечная концентрация нефтепродуктов вдонных отложениях (через 90 суток), г/кг
Ил	20	0,836	0,30	0,18
6,688	1,84	0,66
16,72	5,12	0,98
65	0,836	0,30	0,19
6,688	1,65	0,53
16,720	4,38	0,84
Ил с песком (1:1)	20	0,755	0,47	0,39
5,94	2,31	0,80
14,97	7,34	0,99
65	0,755	0,55	0,37
5,94	2,00	0,68
14,97	5,82	0,95

Таким образом, из таблицы видно, что в результате жизнедеятельности червей концентрация нефти в донных отложениях снижалась в 1,9-19,9 раз (в зависимости от исходного уровня загрязнения, навески червей и типа донных отложений) и составляла не более 1,0 г/кг при длительности очистки 90 суток. Кроме того, при реализации способа нет необходимости в регулировании температурного режима, так как представители семейства Tubificidae являются обычными обитателями водоемов, в том числе в регионах с умеренным и бореальным климатом.

Пример 2. Проводили очистку водоема площадью 1,7 га со средней глубиной 1,5 м в условиях севера Западной Сибири. Среднее содержание нефтепродуктов в донных отложениях до начала очистки составляло 81,4 г/кг. Донные отложения водоема были представлены супесчаными илами.

В ходе проведения первого этапа очистных работ проводили отделение нефти от донных отложений путем флотации с использованием флотатора, соединенного с блоком подачи водовоздушной смеси и снабженного гибким трубопроводом, соединяющим флотатор с плавающей емкостью-отстойником. В результате флотационной очистки дна содержание нефтепродуктов в донных отложениях снизилось в 7,4 раза и в среднем составило 11,0 г/кг.

После сбора нефти с донных отложений на дно водоема помещали червей семейства Tubificidae (Limnodrilus sp.) в количестве 30 г/м². Навеска червей на 1 га составила 300 кг, а на весь водоем - 510 кг.

Для интенсификации микробной деструкции нефти на всей акватории водоема осуществлялась аэрация при помощи аэратора абсолютной производительностью 12 кг О ₂/час, мощностью 11 кВт.

Таким образом, обеспечивали концентрацию растворенного кислорода не менее 8 мг/дм³.

Для поддержания концентраций биогенных веществ в воде на оптимальном уровне вносили минеральные удобрения. Начальное содержание ионов аммония в воде в среднем составляло 0,25 мг/дм³, а содержание ионов нитрата 0,2 мг/дм³, что в пересчете на свободный азот в среднем составляет 0,12 мг/дм³. Необходимая доза аммиачной селитры для достижения концентрации азота 2,0 мг/дм³ составила 80,5 кг/га или 136,9 кг на весь водоем. Концентрация фосфат-ионов в воде составляла 0,5 мг/дм³. Чтобы довести концентрацию фосфора в воде до 1 мг/л в пересчете на Р₂ О₅, потребовалось внести 24,7 кг суперфосфата на 1 га или 42,0 кг на весь водоем.

В результате применения биологической очистки с использованием червей семейства Tubificidae совместно с аэрацией и внесением минеральных удобрений концентрация нефтепродуктов в донных отложениях за 78 суток снизилась до 0,97 г/кг. Таким образом, способ обеспечил снижение содержания нефтепродуктов в донных отложениях более чем в 83 раза по сравнению с исходной концентрацией.