Микроорганизмы для очистки почвы

Модель биологической очистки почвы и зоны аэрации от загрязнения нефтепродуктами

1. Введение

В настоящее время в мире существует обширная практика очистки почвы и подземных вод от нефтепродуктовых загрязнений. Для ликвидации нефтепродуктовых загрязнений в настоящее время широко используются такие методы, как испарение загрязнителя в почве, биологическая очистка, складирование почвы с последующей самоочисткой, экскавация загрязненного грунта с последующим захоронением или термической обработкой. Из всех технологий ликвидации последствий нефтепродуктового загрязнения почв нефтепродуктами, наиболее щадящей к окружающей среде является биоочистка на месте загрязнения. Ее преимуществом является относительная простота технологической реализации установки и эксплуатации, а также относительно невысокие финансовые затраты. Она широко используется во многих странах уже в течении 29 лет, успешно применяется при очистке почв от бензина, дизельного топлива и других нефтепродуктов.

Биологическая очистка представляет собой внесение в почву бактерий, способных разлагать нефтепродукт и вырабатывающих вещества, способствующих его быстрому смыванию (биогенных ПАВ); веществ, необходимых для их роста, а также другие мероприятия для создания для них наиболее благоприятных условий. Принцип организации системы биологической очистки грунта на месте загрязнения (in situ) представлена на рис.1.

В настоящее время в процессе биоочистки используются преимущественно аэробные бактерии. Исследованиями показана их способность активно разлагать углеводороды, определены требования к условиям, наиболее благоприятствующим из росту. Их метаболизм подробно изучен и показано, что продукты переработки микроорганизмами нефтепродуктов не опасны для человека и окружающей среды.

На стадии планирования и осуществления проекта биоочистки для оценки времени очистки (а значит, и стоимости работ), а также выбора оптимальных параметров всего технологического процесса, целесообразными представляются прогнозы хода очистки на всех ее стадиях. Для таких прогнозов широко используют математическое моделирование.

В настоящей работе предлагается модель биоразложения и массопереноса нефтепродуктов в зоне аэрации, учитывающая основные процессы, протекающие при очистке почвы. Применимость модели рассмотрена на основе полевых данных и результатах лабораторных экспериментов.

2. Математическая модель

Рассматриваются основные процессы, происходящие при очистке почвы от нефтепродуктового загрязнения путем периодического внесения раствора биопрепарата. На основе имеющихся литературных и экспериментальных данных были рассмотрены следующие процессы — это разложение нефтепродукта бактериями, рост и отмирание бактерий, выработка бактериями поверхностно-активных веществ, переход нефтепродукта в эмульсию, перенос бактерий с инфильтрующейся водой с учетом их сорбции и десорбции, перенос эмульсии нефтепродукта с инфильтрующейся водой.

2.1. Динамика микробной популяции

Рассмотрим процессы, в которых участвуют бактерии. Это
а) рост и отмирание,
б) вымывание — вертикальный перенос с инфильтрующейся водой.

а) Для описания динамики микробной популяции используется уравнение Моно с учетом отмирания клеток [1,2,3]:

где M — концентрация бактерий, μ_m — максимальная скорость роста бактерий, G — концентрация субстрата (нефтепродукта), K_s — константа сродства субстрата к микроорганизму, λ — скорость отмирания клеток.

б) Запишем уравнение, описывающее полное число бактерий в почвенной среде:

где — плотность грунта, Ms — число бактерий, закрепленных на почвенной матрице, Mw — число бактерий, содержащееся в почвенной воде, n — пористость.

Зависимость числа закрепленных бактерий от числа бактерий в воде описывается уравнением адсорбции [4,5]:

где — коэффициент адсорбции бактерий.

Конечный вид уравнения для описания концентрации бактерий в воде:

— эффективная пористость. Итоговое уравнение для роста, отмирания и переноса бактерий:

2.2. Убыль свободного нефтепродукта

Убыль свободного нефтепродукта происходит за счет разложения бактериями и вымывания в эмульгированном виде. Биоразложение может быть описано уравнением Моно [1,2,6,7,8], а вымывание — уравнением конвективного переноса, их комбинация описывает полную убыль нефтепродукта:

где q — коэффициент пропорциональности, связывающий количество образовавшихся клеток с поглощенным субстратом, С — концентрация эмульгированного нефтепродукта в почвенной воде.

2.3. БиоПАВ

В большинстве случаев можно считать, что бактерии вырабатывают поверхностно-активные вещества одновременно с разложением нефтяных углеводородов [9,10], т.е. некоторая часть углеводородов используется для выработки ПАВ.

Производство бактериями ПАВ тоже можно описать уравнением типа Моно:

где S — концентрация БиоПАВ, qs — коэффициент пропорциональности, связывающий количество образовавшегося ПАВ с поглощенным субстратом, то есть биоПАВ являются одним из продуктов разложения нефтепродукта.

Расход БиоПАВ на эмульгирование может быть описано, как реакция ПАВ с нефтепродуктом:

где — число молекул ПАВ, образующих мицеллу. Скорость данной реакции будет складываться из скоростей образования мицеллы ПАВ и скорости включения в эту мицеллу молекулы углеводорода. Можно считать [11], что скорость расхода ПАВ будет пропорционально его концентрации и концентрации нефтепродукта:

где k — константа взаимодействия ПАВ и нефтепродукта.

С использованием уравнений (7) и (9) получаем итоговое уравнение, описывающее изменение концентрации БиоПАВ:

В принципе, при эмульгировании нефтепродукта сразу после выработки ПАВ, концентрация свободных ПАВ должна всегда быть равна 0.

2.4. Эмульгированный нефтепродукт

Для описания концентрации эмульгированного нефтепродукта в почвенной воде, исходя из уравнений (7) и (8) и с учетом выноса с инфильтрующейся водой, получаем:

2.5. Итоговая система уравнений

Уравнения (5), (6) и (11) образуют систему, описывающую изменение концентрации бактерий, свободного и эмульгированного нефтепродукта в почвенной среде:

С помощью численной модели, разработанной на основе этой системы уравнений, можно рассчитать такие интегральные величины, как концентрацию нефтепродукта и нефтеокисляющих бактерий в толще грунта на заданный расчетный период, концентрацию нефтепродукта, вымываемого из загрязненного слоя грунта, а также изменение концентрации свободного нефтепродукта в зависимости от глубины, его вертикальный перенос в грунте и распределение бактерий в толще грунта на заданный момент времени.

Начальными условиями являются начальное распределение свободного нефтепродукта, эмульгированного нефтепродукта и бактерий. Граничным условием является концентрация бактерий в подаваемом растворе.

Константы, необходимые для расчета, могут быть определены по данным лабораторных модельных экспериментов, для грубой оценки можно использовать имеющиеся литературные данные.

3. Пример расчета

На рис.2 и 3 приведены результаты моделирования очистки, осуществляемой путем промывки раствором биопрепарата толщи загрязненного нефтепродуктом грунта. Данное моделирование было проведено для реального процесса очистки грунта, загрязненного в результате разлива нефтепродукта [12,13]. Объектом очистки являлся верхний слой грунта толщиной 5 м, загрязненного бензином, средняя концентрация которого составляла 0.005 г/г грунта.

Сравнение результата прогнозного расчета убыли нефтепродукта через год очистки с данными полевых наблюдений показало хорошее совпадение (рис.6).

Данная модель была также проверена и параметризована в ходе серии лабораторных экспериментов, проведенных в сотрудничестве с лабораторией нефтяной микробиологии РАН.

Заключение

Разработана математическая модель, позволяющая определять убыль нефтепродукта на заданный расчетный период, изменение его концентрации в зависимости от глубины, изменение концентрации бактерий во времени, их распределение в толще грунта, концентрацию нефтепродукта, вымываемого из загрязненного слоя грунта, его вертикальный перенос в грунте.

Рассчитанные по данной модели, с использованием данных лабораторных экспериментов концентрации нефтепродуктов и бактерий хорошо совпадают с наблюдаемыми в реальных условиях при применении метода биологической очистки.

Источник

Очистка почвы от загрязнений

Может случиться, что земля на загородном участке будет сильно загрязнена прорвавшимися из септика сточными водами, удобрениями, смытыми весной с полей, дизтопливом и т.д. Неочищенная почва на долгое время станет источником постоянного токсического заражения всего, что с ней соприкасается. Первое, что страдает от загрязнений в грунте — садовые и декоративные растения, а также неглубокие источники воды, которыми Вы пользуетесь. Иногда такое заражение ничем себя внешне не проявляет и действует незаметно. Некоторые вредные вещества способны накапливаться в организме и лишь по прошествии времени оказывают негативное воздействие на здоровье.

Если существуют сомнения в химической и бактериологической чистоте загородного участка, надо сделать лабораторный анализ почвы, овощей и фруктов, собираемых с дачных плантаций, и воды. Воду необходимо проверить, если она попадает в дом из мелких и средних по глубине источников — колодцев, песчаных скважин. Чрезмерное количество некоторых химических соединений или уровень кислотности почвы может отрицательно влиять на сохранность бетонных, металлических и прочих подземных конструкций.

Конечно, почва как часть биосферы стремиться естественным образом нейтрализовать чужеродные для нее вещества и соединения. Но этот процесс занимает очень много времени. При слишком высокой концентрации загрязнений механизм естественного природного очищения и восстановления может не работать.

экспресс-анализ почвы на загрязнения

Существуют эффективные технологии по очистке хозяйственно-бытовых стоков. Но как вернуть верхнему слою почвы его плодородные свойства и экологическую чистоту? Рассмотрим современные методы восстановления естественных природных качеств грунта.

Способы очистки почвы от загрязнений

По принципу действия методы очистки почвы делятся на три типа:

• химические
• физические
• биологические

Не все из перечисленных способов из-за своей радикальности подходят для восстановления экологии загородного участка и применяются для решения масштабных промышленных задач. Но возможны ситуации, когда лишь таким способом можно очистить землю от посторонних веществ — например, случайно пролили бочку солярки для котла отопления — и затем вернуть ее к жизни с помощью рекультивации. Часть методов производят сложное воздействие на почву и могут быть отнесены сразу к двум типам. Химический метод очистки почвыхимическая очистка почвы При химической очистке почвы от загрязнений используется метод промывки. Делаются специальные растворы из поверхностно-активных веществ или растворы, содержащие сильные окислители — активный кислород, хлорсодержащие соединения, а также щелочные растворы. Выщелачивание осуществляется с помощью 2%-ого раствора соляной кислоты. При выщелачивании содержание тяжелых металлов (цинк, свинец, кадмий, никель, медь, мышьяк) снижается на 85-95%. Так как при промывке растворы попадает в почву, непосредственно проникая во все поры между частицами, эффективность данного метода очень высокая. После очистки промывкой следует сделать рекультивацию почвы. Недостатки метода: нужна очистка почвы от соединений хлора. Метод не подходит для очистки большого объема грунта. Физико-химические методы очистки почвы Самый простой физический метод восстановления почвы — снять верхний слой и заменить его чистым, незараженным. Но не всегда есть возможность найти достаточное количество свободной и плодородной почвы. Электрофизический метод очистки — используется для удаления из почвы нефтепродуктов, фенолов и хлорсодержащих углеводородов. В основе метода лежит эффект электролиза воды при прохождении электрического тока через почву. Сложные загрязняющие соединения при таком воздействии активно окисляются и распадаются на менее вредные простые составляющие. Метод электрофизической очистки позволяет очищать почву от опасных соединений на основе свинца, ртути, кадмия, мышьяка и т.д. схема электрохимической очистки почвы (метод электролиза) В зависимости от условий в грунте и использованного дополнительного оборудования кроме электролиза могут быть использованы другие варианты метода: электрокоагуляция, электрохимическое окисление, электрофлотация, электроосмос, электрокинетический метод и некоторые другие. Практически все перечисленные способы электроочистки почвы технически сложны и дороги. Термический метод очистки почвы Термический метод очистки можно отнести к физическому. В зависимости от типа загрязнений нагрев может производиться как на воздухе, так и в вакууме — в специальных герметичных установках. Метод применяется для освобождения почвы от нефтепродуктов, масел, бензина, от некоторых цветных металлов, от галогеносодержащих и органических соединений. Углеводороды выгорают при нагреве материала до + 800 С. Восстановить свойства почвы после такого воздействия можно добавлением компоста или минеральных удобрений. Существуют не только стационарные, но и передвижные термические установки на автомобильном шасси. Во всем мире ежегодно термическим методом очищаются миллионы тонн почвы. термическая очистка почвы Очень сильный нагрев до сплавления частиц почвы проводится с помощью электродов, опускаемых в землю. Данный электро-термический метод используется для связывания в невымываемые грунтовыми водами формы таких опасных загрязнителей, как тяжелые металлы и радионуклиды. Биологические методы очистки почвы Фиторемедиация — комплекс методов использования растений для очистки сточных вод, почвы и атмосферы от различных типов загрязнений. В свою очередь фиторемедиация является составной частью еще более широкой методики биоремедиации. Рассмотрим фито-методы для очистки почвы. Метод фитоэкстракции — на загрязненном участке высаживаются специально отобранные растения. В силу своих биологических особенностей некоторые виды флоры способны поглощать и накапливать в корнях, стеблях и листьях соединения меди, цинка, кобальта, никеля, свинца, хрома, тем самым снижая содержание этих элементов в земле. Для более полного восстановления участка почвы необходимо обеспечить несколько циклов произрастания данных растительных видов. По завершении процесса фитоэкстракции все растения необходимо собрать и сжечь. При этом продукты сгорания следует захоронить на специальном полигоне для отходов, так как в пепле сохранится высокое содержание вредных элементов. Метод фитостабилизации немного отличается от фитоэкстракции. Используемые растения не поглощают, но осаждают в почве рядом с корнями опасные химические соединения, почвенные бактерии способны переработать некоторые из них в менее опасные. В результате соединения переводятся в неактивную и мало подвижную форму, чем снижается риск их дальнейшего распространения. ярутка полевая — поглощает из почвы тяжелые металлы Кроме определенных растений, естественным образом произрастающих в природе и пригодных для решения задач очистки почвы и воды, производятся опыты по созданию более эффективных генномодифицированных растений с улучшенными характеристиками. Все биологические методы очистки действенны только при невысоком и среднем уровне загрязнений почвы. Процесс биологической очистки воды и почвы достаточно медленный, но естественный и наименее затратный. Методы биостимуляции и биодеструкции — особые организмы разрушают проникшие в почву загрязнения. Методы используются в основном для нейтрализации различных нефтепродуктов, жиров и масел. Микроорганизмы-деструкторы либо просто добавляются в почву, либо в почве создаются условия — вносятся специальные добавки для ускоренного размножения эндогенных, то есть уже живущих там аэробных бактерий, способных расщеплять углеводороды. На рост бактерий влияет влажность, уровень аэрации и температура почвы, поэтому эффективность данного способа зависит от многих факторов. Лучший метод очистки почвы В сложных случаях, когда в почву попали разные по типу загрязнения, или новое загрязнение наложилось на неизвестное старое, наиболее эффективным будет последовательное использование нескольких способов очистки. Как мы уже сказали выше, вряд ли большинство из перечисленных в статье вариантов можно применить на загородном участке. Но некоторые методы вполне доступны и могут улучшить экологическую ситуацию. Это касается наиболее простых с технической точки зрения физических и биологических методов.

Источник