В.И.Соловьев, Г.А.Кожанова, Т.В.Гудзенко Т.Н. Кривицкая, Н.В. Семина
*Научно-производственное предприятие «Эконад», г. Одесса **Одесский национальный университет им. И.И. Мечникова
***Морской торговый порт Южный
Одной из основных экологических проблем на предприятиях топливно-энергетического комплекса являются аварии на нефтепроводах, в связи с их износом, старением, а также при перевозках нефти и нефтепродуктов различными видами транспорта. Немаловажное значение в последние годы приобрели также аварии на трубопроводах, в связи с несанкционированными врезками в нефте- и продуктопроводы с целью хищения нефтепродуктов и, как следствие, аварийные локальные загрязнения почвы площадью 1-2 га и объемом нефтезагрязненной почвы от 3000 до 10000 м3 с нефтесодержанием от 100 до 400 г/кг. Создавшееся положение диктует необходимость принципиально новых подходов к ликвидации аварийных разливов на почве, разработки научно-методических основ, приемов и технологий ее реабилитации.
Одним из факторов, сдерживающих решение этой проблемы, является отсутствие в нормативных и директивных документах реальных критериев оценки уровня загрязнения нефтью и нефтепродуктами почвы и грунта, экологической и экономической обоснованности применения различных методов ликвидации послед-ствий аварийных разливов нефти на почве, с учетом зарубежного и отечественного опыта.
Почвы и грунты считаются загрязненными, когда концентрация нефтепродуктов в них достигает такой величины, при которой начинаются негативные экологические изменения в окружающей среде: нарушается экологическое равновесие в почвенной экосистеме, гибнет почвенная биота, падает продуктивность или наступает гибель растений, происходит изменение морфологии, водно-физических свойств почв,
падает их плодородие, создается опасность загрязнения подземных и
перхностных вод в результате вымывания нефтепродуктов из почвы или грунта и их растворения в воде.
Определение уровня загрязнения почвы необходимо для решения вопроса о целесообразности проведения специальных работ по санации почвы. Небезопасным уровнем загрязнения почвы считается уровень, который превышает предел потенциала самоочищения.
В зарубежных странах принято считать верхним безопасным уровнем содержания нефтепродуктов в почве 1 – 3 г/кг; начало серьезного экологического ущерба – при содержании 20 г/кг и выше. В странах ближнего зарубежья предельно допустимые концентрации (ПДК) нефтепродуктов в почве не разработаны, за исключением Татарстана (Россия). Для Татарстана ПДК нефтепродуктов в почве составляет 1,5 г/кг, что соответствует транслокационному (фито-аккумуляционному) показателю вредности. При этом были определены миграционный водный показатель вредности (13,1 г/кг), миграционный воздушный (более 5 г/кг) и общесанитарный (более 5 г/кг). Показатели вредности установлены для наиболее токсичной сернистой нефти карбоновых отложений.
В Украине ПДК нефти и продуктов ее переработки в почве не определена, имеется лишь ссылка на ориентировочно допустимую концентрацию (0,2 мг/кг) в “Методике определения ущерба, обусловленного загрязнением и засорением земельных ресурсов в результате нарушения природоохранного законодательства”. (Мин. охраны окружающей природной среды и ядерной безопасности, Киев,1998).
По нашему мнению, этот показатель явно завышен и ориентировка на него вряд ли принесет пользу при проведении работ по ликвидации нефтяного загрязнения почвы, тем более, что геохимический фон (кларк) содержания углеводородов нефти в почве в европейских странах колеблется в пределах 0,01 – 0,5 г/кг, а в крупных городах Украины довольно обычны показатели 1 – 3 г/кг. На территориях, прилегающих к предприятиям переработки, добычи нефти, фон достигает 6 г/кг.
В РД 41-5804046-200-91 “Охрана окружающей среды при строительстве разведочных и эксплуатационных скважин на нефть и газ” (Госкомитет Украины по геологии и использованию недр, Полтавское отделение УкрГГРИ, Полтава, 1991 г.) определена ОДК для почвы – 4 г/кг.
Учитывая физико-географические условия Украины (климат, типы и состав почвы, растительность и др.), а также характер землеполь-зования, которые влияют на самоочищающие процессы при загрязнении нефтепродуктами среды, для практики проведения работ по детоксикации нефтепродуктов в почве целесообразно принять следующие степени градации загрязнения почв и грунтов нефтью и нефтепродуктами (с учетом кларка): незагрязненные почвы — до 1,5 г/кг; слабое загрязнение — от 1,5 до 5,0 г/кг; среднее загрязнение — от 5,0 до 13,0 г/кг; сильное загрязнение — от 13,0 до 25,0 г/кг; очень сильное загрязнение — более 25,0 г/кг.
Слабое загрязнение может быть ликвидировано в процессе самоочищения почвы в ближайшие 2 – 3 года, среднее – в течение 4 – 5 лет. Началом серьезного экологического ущерба является загрязнение почвы нефтью в концентрациях, превышающих 13 г/кг, т.к. при этих концентрациях начинается миграция нефтепродуктов в подпочвенные воды, существенно нарушается экологическое равновесие в почвенном биоценозе.
В мировой практике для обезвреживания почвы, загрязненной нефтепродуктами, применяются различные методы. К первой группе относятся методы, предусматривающие выемку загрязненного грунта и последующие мероприятия по утилизации загрязнения:
- запахивание в почву на неудобьях. При этом способе санации почву, загрязненную нефтью и нефтепродуктами, распределяют по поверхности разрыхленного грунта из расчета 10 кг/ м2. При внесении такого количества загрязненного нефтью грунта после перепашки на глубину 30-35см концентрация нефти в почве неудобий не превышает миграционного водного показателя вредности нефти и может быть отнесена к категории среднезагрязненных земель. Вспашку повторяют с интервалом в месяц, сокращая до одной за сезон после двухлетней экспозиции. В случае необходимости кислотность почвы доводят до рН 6,5 путем внесения извести или коррегирующих кислотность среды препаратов или субстратов. При таком способе санации срок детоксикации загрязненного грунта не превышает трех лет, но может быть сокращен до одного года при условии интенсификации процесса биодеградации;
- вывоз на свалку. Загрязненный нефтью и нефтепродуктами грунт и твердые материалы добавляют к отходам на городских свалках в количестве 1-2% от общего количества сдаваемых на свалку отходов. По нашему мнению, такое соотношение нефтепродуктов и отходов экологически обосновано. Срок утилизации – 3-5 лет;
- выемка загрязненного грунта и вывоз на специально подготовленные площадки – полевые грядки (метод “Ландфарминга”). Этот метод предусматривает распределение вынутого грунта на подготовленной площади, проведение аэрации посредством многократного рыхления и принудительной вентиляции, орошение, введение питательных веществ и микроорганизмов. Срок утилизации — 1 год;
- санирование в кагатах, которое прудусматривает выемку загрязненной почвы и укладку её в форме кагата высотой 0,4-2 м. После этого производится орошение кагата суспензией биомассы микроорганизмов и питательных веществ. Для предотвращения эрозии производят эвентуальное озеленение кагата. Срок утилизации – 2 года;
- обработка загрязненного нефтью грунта в стационарных условиях на двух-трёх блочных линиях грубой и тонкой очистки, позволяющих максимально извлечь и подготовить до заданных параметров нефть, а грунт с концентрацией нефтепродуктов не более 15 г/кг возвращается на участок, из которого был изъят, затем следует период рекультивации территории (технологии АО «ГенЭКО», Россия; LRS-технология, США и др.).
Вторая группа методов включает проведение биоремедиационных мероприятий непосредственно на участке загрязнения:
- обработка почвы селекционированными нефтеокисляющими штаммами микроорганизмов в сочетании с введением комплексных минеральных удобрений;
- обработка нефтезагрязненной почвы стимуляторами роста аборигенной нефтеокисляющей микрофлоры;
Эти технологии в настоящее время относятся к наиболее широко применяемым биотехнологическим методам ликвидации нефтяного загрязнения почвы. - выжигание разлитой нефти или нефтепродуктов на месте разлива. Недостаток метода – утилизация нефти только в поверхностном слое почвы, при этом в местах прокаливания уничтожаются природные биоценозы, происходит загрязнение атмосферного воздуха продуктами горения.
Существуют и другие методы санирования почвы: сепарация, высокотемпературный обжиг, обработка паром и др. Однако, эти методы, требующие использования специального оборудования, не вышли за рамки экспериментальных разработок.
Изучение отечественной и зарубежной литературы, методических материалов, отчетов ликвидаторов нефтяного загрязнения, а также анализ проведенных нами научно-исследовательских и практических работ по ликвидации аварийных разливов нефти и нефтепродуктов в различных регионах СНГ, дает возможность предложить следующую концепцию ликвидации нефтезагрязнения почвы как комплекса мероприятий, включающих:
а) локализацию нефтяного загрязнения;
б) сбор товарных нефтепродуктов, а также загрязненных растительных остатков, мусора для переработки или утилизации;
в) химическую мелиорацию (применение минералов – бентони-товых глин, каркасных силикатов, бокситовых руд; гашеной извести и др. для химической деградации нефти);
г) биоремедиацию – очистку нефтезагрязненной почвы и воды с использованием препаратов углеводородоокисляющих микроорганизмов, биогенных добавок для дополнительного их питания или специальных препаратов, содержащих биологически позитивные эмульгаторы, ферменты, сахара, минеральные соли, необходимые для стимуляции аборигенной нефтеокисляющей микрофлоры. Важным элементом биоремедиации нефтезагрязненных почв на финишном этапе очистки может быть использование олигохет Eisenia foetida, E. irregularis.
д) биологическую рекультивацию (фитомелиорацию) земель, предназначенных для сельскохозяйственного использования (внедрение севооборотов, включающих растения, в дальнейшем используемые в качестве сидератов; внесение повышенных доз минеральных удобрений; мульчирование и др.).
НПП «Эконад» с целью реализации вышеизложенной концепции осуществило: - разработку методических приемов локализации нефтяного загрязнения;
- обработка нефтезагрязненной почвы стимуляторами роста аборигенной нефтеокисляющей микрофлоры;
- изучение возможности использования природных минералов 14 украинских месторождений, промышленных отходов для сорбции и химической детоксикации нефти;
- изучение зональных особенностей почвенного профиля, подбора травосмесей и норм их высева для фитомелиорации;
- разработку норм внесения минеральных и органических удобрений, биогенных добавок (отходов пищевых предприятий) для биоремедиации нефтезагрязненных почв;
- разработку технологии применения бактериального препарата «Эконадин» — сорбента и деструктора нефти и нефтепродуктов для очистки почвы.
Препарат «Эконадин», сорбент и деструктор углеводородов нефти, производимый научно-производственным предприятием «Эконад» в соответствии с Техническими условиями (ТУ У 30171732-001-2000 Препарат бактериальный «Эконадин», регистрация в Госстандарте 11.09.2000, № 095/004466) представляет собой порошок коричневого цвета, дисперсный, либо с волокнистыми включениями, плавучий, гидрофобный. В основе препарата ассоциация 2 штаммов Pseudomonas fluorescens, иммобилизованных по специальной технологии на органическом субстрате — торфе. Содержание бактерий деструкторов составляет не менее 1х109 клеток/г. Насыпная плотность от 250 до 375 кг/м3. Сорбционная емкость от 1:10 до 1:50, в зависимости от вида нефтепродуктов. Препарат «Эконадин» защищен патентами Российской Федерации и Украины, является одним из первых бактериальных препаратов для борьбы с нефтяным загрязнением в СНГ.
Выбору бактерий Pseudomonas fluorescens, как основы препарата, предшествовало длительное изучение их особенностей как деструкторов биологически резистентных поллютантов – стойких органических азокрасителей, ПАВ, различных углеводородов нефти. Отбор штаммов осуществлен по принципу отсутствия патогенности для человека, гидробионтов, высших растений и т.д.
Из всех нефтеокисляющих микроорганизмов в природе наиболее широко распространены бактерии рода Pseudomonas. Они являются постоянными обитателями вод Мирового океана, внутренних водоемов, почвы и грунтов. Более 50 видов этого рода способны участвовать в биоразложении нефти в окружающей среде. Наиболее активная нефтеокисляющая способность выявлена у P. аerugenoza, P. putida, P. fluorescens. О широком распространении и пластичности вида P. fluorescens свидетельствуют факты выделения этого вида из почвы, пресноводных и морских водоемов, пластовых вод, донных отложений. Интересен факт выделения 66 штаммов этого вида из минеральной воды “Трускавецкая”. Высокая углеводородокисляющая активность, эмульгирующие свойства псевдомонад, способность расщеплять углево-дороды, как в аэробных условиях, так и в условиях дефицита кислорода, позволяет использовать наиболее активные штаммы для борьбы с нефтяным загрязнением воды и почвы.
“Эконадин” является препаратом нового поколения, сочетая в себе сорбционную и деструктивную активность в отношении углеводородов нефти с высокой экологичностью. Он отличается от других бактериальных препаратов отечественного и зарубежного производства, как по простоте своего применения, так и возможности его использования в качестве средства быстрого реагирования при аварийных разливах нефти на воде и почве.
В препарате “Эконадин” бактерии — деструкторы иммобилизованы на органическом носителе, и первичная сорбция нефти сопровождается биокаталитической трансформацией по ферментному типу биодеструкции, что свойственно иммобилизованным системам, в том числе природного типа. Отдельные частички сорбированного препаратом нефтепродукта в последующем обрастают также представителями аборигенной нефтеокисляющей микрофлоры, что способствует дальнейшей более глубокой биодеградации углеводородов нефти за счёт явления кометаболизма (соокисления).
В отличие от бактериальных препаратов, полученных посредством закрепления микроорганизмов на нейтральных сорбентах синтети-ческого или минерального происхождения, “Эконадин” полностью утилизируется в природной среде (после сорбции на нем углеводородов нефти) за счёт естественного органического носителя.
Входящая в состав препарата ассоциация штаммов бактерий многоцелевого назначения – способствует очищению окружающей среды не только от нефти, но и других биорезистентных поллютантов. Более чем двадцатилетний опыт использования этих штаммов, показал их эффективность при очистке промливневых стоков от стойких органических азокрасителей, пестицидов, СПАВ, фенолов, полицик-лических ароматических углеводородов, формальдегида и др..
К преимуществам препарата “Эконадин”, по сравнению с другими бактериальными препаратами, относятся его буферные свойства, способность корректировать рН среды до 7,0 — 7,2, что благоприятствует осуществлению процесса биодеструкции в кислой нефтесодержащей воде и почве.
Таким образом, при применении препарата для обработки нефтезагрязненной почвы механизм действия его заключается не только в биохимической деструкции нефти, но и в активизации природных микробных биоценозов. Наличие в составе препарата органического носителя на первых этапах очистки почвы восполняет органогенный слой, что возобновляет и усиливает нарушенные нефтяным загрязнением биохимические процессы в цикле основных биогенных элементов (углерод, азот и др.), а стимулирующее действие препарата на высшие растения способствует проведению фитомелиорации нарушенных земель, как заключительного этапа санации почвы от нефтяного загрязнения.
В процессе изучения взаимоотношения используемых в препарате штаммов по отношению к другим микроорганизмам была установлена их антагонистическая активность ко многим патогенным и фитопатогенным микроорганизмам, что позволяет считать их интродук-цию фактором санитарного оздоровления окружающей среды.
