Рекультивация нефтезагрязненных земель

Региональный этап всероссийской олимпиады школьников по экологии

Рекультивация

нефтезагрязненных земель

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.

Содержание

Введение……………………………………………………………………………...3

Глава 1. Литературный обзор……………………………………………………….4

1. Нефть как фактор загрязнения земель ХМАО - Югры………………….…..4
2. Причины и последствия нефтяных разливов………………………………...5
3. 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

Заключение………………………………………………………………………….17

Список литературы…………………………………………………………………18

Введение

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

Задачи исследования:

1. Оценить влияние рекультивационных работ на нефтяные загрязнения.
2. Изучить возможные способы рекультивации.
3. 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

1.  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.

2.  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:

 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/)

3.  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:

1. 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).
2. 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).

3. 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 108  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 20оС.

2.2 Методика исследования

Подготовка рабочей суспензии из сухого биопрепарата «Ленойл».

• 20 грамм биопрепарата растворить в 5 литрах воды;
• В разведенную смесь добавить 2 см3 дизтоплива (необходимое микроорганизмам для питания);
• Оставить получившуюся массу на 24 часа, периодически помешивая и взбалтывая.

В течение месяца за сосудами с почвой велись наблюдения. Мы сравнивали концентрацию нефти в почве, цвет песка, маслянистость, вес сосудов. Концентрацию нефти мы определяли методом взвешивания обоих сосудов, при этом мы руководствовались следующей методикой:

1. Общий вес каждого сосуда с песчано-нефтяной смесью нам известен – 1300,0 г. Весом добавленного в исследуемый образец готового препарата «Ленойл» (≈10,0 г) мы пренебрегли, отнеся его в разряд погрешности.
2. В ходе опыта вес песка в сосудах уменьшаться не мог, т.к. песок не подвержен ни воздействию микробов, ни испарению – т.е. вес песка мы посчитали за константу.
3. Уменьшаться в нашей смеси мог только вес нефти, составляющий в обоих сосудах по 212,5 г, который, в одном случае, уменьшался за счет естественной деградации, а во втором – за счет разложения нефти микроорганизмами на воду, которая затем испарялась в окружающую атмосферу, и газ, также уходящий в атмосферу.

Глава 3. Результаты собственных исследований и их обсуждение.

1.  Влияние микроорганизмов биопрепарата на изменение

концентрации нефти

За 30 суток эксперимента концентрация нефти изменилась как в контрольном, так и в используемом микроорганизмами сосудах. Исследования показали, что биопрепарат «Ленойл», содержащий ассоциацию микроорганизмов (Bacillius brevis и Arthrobacter sp.) способен адаптироваться к высоким дозам нефти и эффективно утилизировать субстрат.

Результаты взвешивания сосудов:

Степень биодеградации нефти:

В исследуемом сосуде значительно изменились такие показатели, как цвет, запах, маслянистость почвы, вес смеси. В контрольном сосуде эти изменения выражены менее значительно.

3.2 Динамика биодеградации нефти

В течении 30 суток эксперимента (4 недели) нами прослеживалась динамика биодеградации нефти в контрольном и используемом сосудах. Наблюдения показали, что при помощи биопрепарата, содержащего микроорганизмы, этот процесс протекает значительно быстрее.

В течение всего времени опыта прогресс в сосуде с биопрепаратом был виден невооруженным глазом, а также подтверждался результатами взвешивания.

Первая неделя:

Вторая неделя:

Третья неделя:

Четвертая неделя:

Заключение

На основе проведенных исследований по рекультивации нефтезагрязненной почвы мы делаем следующие выводы:

1. Процесс естественной биодеградации нефти протекает очень медленно;
2. Биопрепараты, содержащие микроорганизмы, обладающие углеводородокисляющей активностью, значительно ускоряют процесс биодеградации нефти. В частности, биопрепарат «Ленойл» способен адаптироваться к высоким дозам нефти и эффективно утилизировать субстрат;
3. При помощи биопрепарата содержание нефти в почве сокращается значительно, однако не исчезает полностью. Для полного восстановления необходимо гораздо больше времени, чем мы это могли позволить в ходе проведенного опыта, а также необходимо проводить фиторекультивацию;
4. В естественных условиях, чем больше разлив, тем больше времени и средств займет рекультивация.

Список литературы

1. Алехин В.Г. Биологическая активность и микробиологическая рекультивация почв, загрязненных нефтепродуктами// Биологические ресурсы и природопользование: сборник научных трудов. – вып. 2. / В.Г. Алехин – Нижневартовск 1998. – с. 95 – 105.
2. Алиев С.А. Влияние загрязнения нефтяным органическим веществом на активность биологических процессов почв./ С.А. Алиев, Д.А. Гаджиев// из – во. АН FpCCH/ Сер. биол. наук. – 1998. – с. 95 – 105.
3. Вершинин Ю.А. Рекультивация загрязненной нефтью земли (аналитический обзор, 2005), с. 53
4. Габбасова И.М. Оценка состояния почв с разными сроками загрягнения сырой нефтью после биологической рекультивации/ И.М. Габбасова, 2002.
5. Зубайдулин А.А. К вопросу рекультивации нефтезагрязненных земель на верховых болотах биологические ресурсы и природопользование: сборник научных трудов: Вып. 2. 1998 г./ А.А. Зубайдулин – Нижневартовск 1998 г. – с. 106 – 116
6. Зубайдулин А.А., Вершинин Ю.А. Оценка экологических рисков при загрязнении болот и их рекультивации (аналитический обзор, 2008), стр. 1 – 5.
7. Оборин А.А., Калачникова И.Г., Масливец Т.А. и др. Биологическая рекультивация нефтезагрязненных земель в условиях таежной зоны// Восстановление нефтезагрязненных почвенных экосистем. М.: Наука, 1988.
8. Пиковский Ю.И. Экспериментальные исследования трансформации нефти в почвах // Миграция загрязняющих веществ в почвах и сопредельных средах. Л., 1985.
9. Постановление правительства РФ от 21.08.02 «О неотложных мерах по предупреждению и ликвидации аварийных разливов нефти и нефтепродуктов».
10. Солнцева Н.П. Общие закономерности трансформации почв в районах добычи нефти (формы проявления, основные процессы, модели)/ Н.П. Солнцева// В сб. Восстанвление нефтезагрязненных экосистем. – М.: Наука, 1988, с. 23 – 42.
11. Терещенко Н.Н., Лушников С.В. К вопросу о рациональном применении минеральных удобрений для ускорения микробиологической деструкции нефтяных углеводородов в почве. IV Международный симпозиум "Контроль и реабилитация окружающей среды". Материалы симпозиума. Томск, 2004. c.117-119.
12. Терещенко Н.Н., Лушников С.В., Пышьева Е.В. Рекультивация нефтезагрязненных почв. Экология и промышленность России. Октябрь 2002. С. 17-20.
13. Черных Н.А., Сидоренко С.Н. Экологический мониторинг токсикантов в биосфере. М., РУДН. 2003 г., 430 с.
14. Чижов Б.Е. Лес и нефть Ханты-Мансийского автономного округа/ Предисл. В.В. Козина/ Экологический фонд Ханты-Мансийского автономного округа. – Тюмень: Издательство: Ю. Мандрики, 1998. – 144 с. + 48 с. Вкл.
15. www.saveplanet.su