Сорбент для очистки природных вод и почвы от нефтяных загрязнений и способ его получения

Сорбент для очистки природных вод и почвы от нефтяных загрязнений и способ его получения

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области биотехнологии и может быть использовано для очистки естественных водоемов, загрязненных нефтью и продуктами ее переработки.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является патент РФ на изобретение №2393215 МПК C1 N2F 1/268; C02F 3/34, «Экобиопрепарат для очистки воды от нефтепродуктов». Изобретение относится к области биотехнологии и может быть использовано для очистки водоемов, загрязненных нефтью и продуктами ее переработки. Биопрепарат представляет собой культуру клеток биодеструктора, искусственно иммобилизованную на сорбенте-носителе. Причем в качестве сорбента-носителя он содержит полые сферические частицы правильной формы диаметром от 30 до 350 мкм, с толщиной стенки от 2 до 10 мкм, внутренняя полость которых заполнена в основном азотом и двуокисью углерода, имеющие следующий состав (мас. %): SiO₂ - 50÷60; Al₂O₃ - 25÷35; Fe₂O₃ - 1,8÷2,0; СаО - 1÷5; МgО - 0,5÷1,5; Na₂O - 0,3÷1,5; K₂O - 0,2÷2,9. А в качестве биодеструктора нефтепродуктов - штамм Pseudomonas fluorescens ВКПМ 6844. Способ получения данного биопрепарата включает глубинное культивирование штамма Pseudomonas fluorescens ВКПМ 6844 на жидкой питательной среде, подготовку вышеуказанного стерильного сорбента-носителя и поверхностное культивирование биодеструкторов на данном сорбенте-носителе. Экобиопрепарат для очистки воды от нефтепродуктов позволяет локализовать разлив за счет активного связывания нефтепродуктов сорбентом-носителем, активно утилизировать их при помощи микроорганизма-деструктора, находясь на поверхности воды, что позволяет повысить экологическую чистоту последствий очистки.

Недостатками данного сорбента является то, что после адсорбции нефтяной пленки происходит его оседание на дно водоема, что негативно сказывается на жизнедеятельности бентосных организмов. Это нарушает экологический баланс и не может считаться безопасным.

Задачей предлагаемого изобретения является создание эффективного, и нефтеемкого сорбента для очистки природных вод и почвы от нефтяных загрязнений, при водопоглощении менее 8 масс % и нефтепоглощении не менее 120 масс % с минимальным оседанием гранул сорбента и высокой углеводородоокисляющий активностью.

Поставленная задача решается за счет того, что сорбент для очистки природных вод и почвы от нефтяных загрязнений содержит сорбент-носитель и клеточную культуру. В качестве сорбента-носителя используют крошку диатомита фракции 0,5-6,0 мм, а в качестве клеточной культуры консорциум микроорганизмов -штаммы RHODOCOCCUS RHODOCHROUS ВКПМ В - 3043, PSEUDOMONAS PUTIDA ВКПМ В - 1827, ACINETOBACTER CALCOACETICUS ВКПМ В - 5971, ALCALIGENES SP ВКПМ В - 5269. Сорбент для очистки природных вод и почвы от нефтяных загрязнений выполняют при следующем соотношении компонентов, масс %: крошка диатомита 85-92, консорциум микроорганизмов 8-15. Способ получения сорбента для очистки природных вод и почвы от нефтяных загрязнений, заключающийся в том, что предварительно обжигают диатомитовую крошку при температуре 600-800°С. После охлаждения крошки диатомита до температуры окружающей среды на нее распыляют консорциум микроорганизмов.

Затем опрысканные гранулы перемешивают в течение 15-20 минут в грануляторе при частоте оборотов от 30 до 40 Гц при наклоне чаши от 40 до 50 градусов до момента исчезновения комочков и влажных зон. После этого гранулы просушивают при температуре от 15 до 25°С, распределив их тонким слоем на чистой влагопоглощающей поверхности. Изобретение поясняется рисунками, где:

На фиг. 1 - Слева направо 1 - среда с нефтью до биодеструкции 2 - среда после биодеструкции ассоциацией штаммов бактерий в течение 24 дней инкубирования при температуре 12°С и рН 7,0.

На фиг. 2 - График изменения содержания нефти в период ликвидации нефтяного загрязнения на опытном участке плодородного грунта.

На фиг. 3 - График изменение содержания нефти в период ликвидации нефтяного загрязнения на опытном участке обводненного грунта.

На фиг. 4 - График газовой хроматограммы хлороформного экстракта нефти без добавления деструкторов (а) и после биодеструкции ассоциацией штаммов бактерий (б) в течение 24 дней инкубирования при температуре 12°С и рН 7,0.

На фиг. 5 - Имитация нефтяного разлива с добавлением нефтедеструкторов: (слева направо) 1 - контроль, 2, 3 - с добавлением ассоциации бактерий, 4 - после биодеструкции ассоциацией штаммов бактерий в течение 24 дней инкубирования при температуре 12°С и рН 7,0.

Сорбент для очистки природных вод и почвы от нефтяных загрязнений содержит сорбент-носитель и клеточную культуру. В качестве сорбента-носителя используют крошку уникального природного диатомита фракции 0,5-6,0 мм, а в качестве клеточной культуры консорциум микроорганизмов, способных развиваться при пониженных температурах, - штаммы RHODOCOCCUS RHODOCHROUS ВКПМ В - 3043, PSEUDOMONAS PUTIDA ВКПМ В - 1827, ACINETOBACTER CALCOACETICUS ВКПМ В - 5971, ALCALIGENES SP ВКПМ В - 5269 КОЕ/г, не менее 0,5×10⁷ 10%, при соотношении штаммов 1:1. Сорбент для очистки природных вод и почвы от нефтяных загрязнений выполняют при следующем соотношении компонентов, масс %: крошка диатомита 85-92 консорциум микроорганизмов 8-15. (см. фиг. 1)

Для получения сорбента для очистки природных вод и почвы от нефтяных загрязнений на основе крошки диатомитовой обожженной (КДО) необходимо всю поверхность крошки покрыть сплошной пленкой консорциума микроорганизмов, препятствующей впитыванию воды, но позволяющей впитывать нефть. Пленка должна выстилать максимум внешнего порогового пространства гранул диатомита, чтобы не снижать нефтепоглощение, поскольку крупные молекулы нефти адсорбируются только на внешней поверхности крошки и внутри крупных внешних пор. Для этого предварительно обжигают диатомитовую крошку при температуре 600-800°С. После охлаждения крошки диатомита до температуры окружающей среды (5-30°С), на нее распыляют консорциум микроорганизмов. Для распыления консорциума микроорганизмов используют, например, бытовой пульверизатор. Время нанесения определяют визуально по отсутствию комочков и влажных зон на поверхности крошки. При разбрызгивании наблюдалось смачивание зоны впрыска и распределение мокрых гранул в общем объеме. Также оставалась часть раствора клеточной культуры на стенках. Для удаления раствора со стенок смесителя, для соблюдения дозировки и в целях наиболее равномерного распределения его по поверхности гранул, перемешивание (уже с нанесенным раствором) продолжают в течение 15-20 минут в грануляторе при частоте оборотов от 30 до 40 Гц при наклоне чаши от 40 до 50 градусов до момента исчезновения комочков и влажных зон. Время, частота оборотов и наклон выбирали с учетом того, что гранулы диатомита не должны подниматься при вращении выше 2/3 от нижней точки тарелки. После этого гранулы просушивают при температуре от 15 до 25°С, распределив их тонким слоем на чистой влагопоглощающей поверхности, например бумаге. После чего были получены оптимальные показатели по нефтеемкости от 129,4% и водопоглащению 6,75%.

Клеточная культура консорциума микроорганизмов - штаммы RHODOCOCCUS RHODOCHROUS ВКПМ В - 3043, PSEUDOMONAS PUTIDA ВКПМ В - 1827, ACINETOBACTER CALCOACETICUS ВКПМ В - 5971, ALCALIGENES SP ВКПМ В - 5269 подобрана экспериментально с учетом максимальной эффективности, прочной иммобилизации микроорганизмов на носителе и низкой стоимости.

Характеристика иммобилизованной культуры следующая: Штамм, именуемый ВКПМ В -3043, (Паспорт штамма от 19.03.2015).

Получен из коллекции ВКПМ ФГУП ГосНИИ Генетика

Культурально-морфологические признаки штамма: колонии на среде L круглые матовые колонии розоватого цвета. Температура роста 30°С. Время инкубации 2-3 суток.

Не является генетически модифицированным штаммом. Согласно классификации по СП 1.3.2322-08 относится к микроорганизмам не патогенным для человека, не требует дополнительных мер предосторожности.

Штамм, именуемый ВКПМ В-1827, (Паспорт штамма от 19.03.2015).

Получен из коллекции ВКПМ ФГУП ГосНИИ Генетика

Выделен при м/б обследовании золотомышьяковистого месторождения Бакырчик, 1970 г.

Культурально-морфологические признаки штамма: грамотрицательные палочки подвижные. Температура роста 28-30°С. Время инкубации 2 суток.

Не является генетически модифицированным штаммом. Согласно классификации по СП 1.3.2322-08 относится к микроорганизмам не патогенным для человека, не требует дополнительных мер предосторожности.

Штамм, именуемый ВКПМ В - 5971, (Паспорт штамма от 19.03.2015).

Получен из коллекции ВКПМ ФГУП ГосНИИ Генетика

Культурально-морфологические признаки штамма: толстые палочки, в логарифмической фазе приближающиеся к кокковидной форме, грамотрицательные. Температура роста 30-32°С. Время инкубации 2 суток.

Не является генетически модифицированным штаммом. Согласно классификации по СП 1.3.2322-08 относится к микроорганизмам не патогенным для человека, не требует дополнительных мер предосторожности.

Штамм, именуемый ВКПМ В -5269, (Паспорт штамма от 19.03.2015).

Получен из коллекции ВКПМ ФГУП ГосНИИ Генетика Культурально-морфологические признаки штамма: грамотрицательные палочки, кокковидные палочки или кокки 0,5-1,0×0,5-2,6, подвижные. Температура роста 30°С. Время инкубации 2 суток.

Не является генетически модифицированным штаммом. Согласно классификации по СП 1.3.2322-08 относится к микроорганизмам не патогенным для человека, не требует дополнительных мер предосторожности.

Нормы расхода предлагаемого сорбента для очистки природных вод и почвы от нефтяных загрязнений, рассчитывают индивидуально для каждого отдельного загрязненного пятна, где предварительно измеряют толщину образовавшееся пленки нефтепродукта, при этом всегда учитывают нефтеемкость, которая максимально может составлять 200%.

Авторами проведены исследования, доказывающие, что предлагаемый сорбент для очистки природных вод и почвы от нефтяных загрязнений работает при следующих соотношениях, масс %:

Изобретение поясняется следующими примерами:

Пример 1

Основой сорбента для очистки природных вод и почвы от нефтяных загрязнений, является консорциум микроорганизмов состоящий из штаммов - деструкторов родов Rhodococcus, Alcaligenes, Pseudomonas и Acinetobacter.

Данный консорциум микроорганизмов способен к деградации углеводородов нефти при концентрации до 30% в температурном диапазоне 0-50°С в присутствии до 5% соли и РН от 4 до 10.

В условиях лабораторных экспериментов была показана высокая эффективность опытных образцов сорбента для очистки природных вод и почвы от нефтяных загрязнений при очистке почвенных и водных модельных систем от нефти и дизельного топлива.

Определение фракционного состава остаточной нефти проводили методом адсорбционной хроматографии на сорбенте силикагель L 40/100 ("Chemapol", Чехия). Общую убыль нефти в жидкой среде определяли гравиметрическим методом (Другое, Родин, 2007).

Определение общего содержания углеводородов нефти осуществляли методом инфракрасной спектроскопии. Подготовку и анализ почвенных и водных образцов проводили в соответствии с методическими указаниями.

«Определение концентрации нефти в почве методом инфракрасной с пектрофотометрии» (МИГ 4.1.1956-05) и «Массовая концентрация нефтепродуктов в водах. Методика выполнения измерений спектрофотометрическим методом» (ГОСТ Р 8.563-96).

После загрязнения модельных участков и внесения сорбента для очистки природных вод и почвы от нефтяных загрязнений проводился микробиологический контроль в течение 90 дней. Было установлено угнетение почвенной микрофлоры и более интенсивное ее восстановление при введении сорбента для очистки природных вод и почвы от нефтяных загрязнений. В качестве контрольного образца использовали исходный не загрязненный грунт. Результаты исследований представлены в таблице 5.

Пример 2

Экспериментальное внесение в нефтезагрязненную землю сорбента для очистки природных вод и почвы от нефтяных загрязнений в соотношении, равном 1:1 привело к повышению степени биодеградации углеводородов, содержащихся в отработанной земле, что подтверждает увеличение эффективности процесса биоремедиации субстрата. Степень биодеградации углеводородов в условиях эксперимента при внесении сорбента для очистки природных вод и почвы от нефтяных загрязнений, при соотношении 1:1 составляла 96,0-97,1 мас. % (табл. 6). Внесение в нефтезагрязненный участок сорбента для очистки природных вод и почвы от нефтяных загрязнений благоприятно влияет на увеличение численности почвенных микроорганизмов, принимающих участие в трансформации нефтепродуктов, олигонитрофилов, углеводородокисляющих бактерий и микромицетов (табл. 7-9). Таким образом, предлагаемый сорбент для очистки природных вод и почвы от нефтяных загрязнений - биопрепарат-нефтедеструктор, содержащий биомассу консорциума нефтеокисляющих микроорганизмов в массовом соотношении, равном 1:1, позволяет повысить эффективность процесса биоразложения нефтепродуктов в грунте, активизировать микробиологическую активность почвы. Применение предлагаемого сорбента для очистки природных вод и почвы от нефтяных загрязнений не влияет на жизнедеятельность полезной микрофлоры нефтезагрязненного субстрата.

Пример 3

Полевой эксперимент проводили в призабойной зоне скважины, загрязненной остаточными нефтепродуктами (г. Азнакаево Татарстан) площадью 1000 м², в который вносили сорбент для очистки природных вод и почвы от нефтяных загрязнений на основе консорциума микроорганизмов - нефтедеструкторов (100 г/м²).

Образцы отбирали через месяц после закладки эксперимента.

Численность трофических групп бактерий в нефтезагрязненной почве и в нефтезагрязненной почве с внесенным сорбентом для очистки природных вод и почвы от нефтяных загрязнений определяли по Коху: посев почв на питательную среду Придхем-Готлиба. В качестве единственного источника углерода используют нефть -1%.

Минеральная среда Придхем-Готлиба, г/л: (NH₄)₂ SO₄ - 2,64; K₂НРO₄ - 5,65; KН₂РO₄ - 2,38; MgSO₄-7H₂O - 1,0; CuSO₄ - 0,064; FeSO₄ - 0,01; MnCl₂ - 0,079; ZnSO₄ - 0,015.

Бактерии-аммонификаторы учитывают на мясопептонном агаре (МПА), олигонитрофилы - на среде Эшби.

Динамика численности бактерий в нефтезагрязненной почве в зависимости от внесения сорбента для очистки природных вод и почвы от нефтяных загрязнений увеличилась в среднем на 35% по сравнению с контролем и представлена в таблице 10.

Результат применения: Микроорганизмы, входящие в состав сорбента для очистки природных вод и почвы от нефтяных загрязнений, способны утилизировать широкий спектр компонентов нефти до экологически нейтральных продуктов, сокращая время нейтрализации загрязнения микроорганизмами, а диатомит препятствует вымыванию бактерий из почвы талыми водами и ливневыми дождями. В результате биологической обработки нефтяного загрязнения в окружающей среде остаются легко разлагаемый бактериальный белок, не требующий последующей утилизации, и нетоксичные продукты разложения нефти.

Преимущества гидрофобного нефтесорбента:

1. Высокая нефтеемкость.

2. Высокая скорость изготовления.

3. Высокая гидроскопичность.

4. Низкая стоимость производства.

Все приведенные примеры подтверждают выполнение поставленной задачи, а именно, создание эффективного, и нефтеемкого сорбента для очистки природных вод и почвы от нефтяных загрязнений, при водопоглощении менее 8 мас % и нефтепоглощении не менее 120 масс % с минимальным оседанием гранул сорбента и высокой углеводородоокисляющий активностью.

Все приведенные примеры подтверждают промышленную применимость предлагаемого сорбента для очистки природных вод и почвы от нефтяных загрязнений.

1. Сорбент для очистки природных вод и почвы от нефтяных загрязнений, содержащий сорбент-носитель и клеточную культуру,

отличающийся тем, что в качестве сорбента-носителя использована крошка диатомита, а в качестве клеточной культуры консорциум микроорганизмов - штаммы RHODOCOCCUS RHODOCHROUS ВКПМ В - 3043, PSEUDOMONAS PUTIDA ВКПМ В - 1827, AC IN ЕТО В АСТЕ R CALCOACETICUS ВКПМ В - 5971, ALCALIGENES SP ВКПМ В – 5269 при следующем соотношении компонентов, мас.%:

крошка диатомита	85-92
консорциум микроорганизмов	8-15

2. Способ получения сорбента по п. 1 для очистки природных вод и почвы от нефтяных загрязнений, заключающийся в том, что предварительно обжигают диатомитовую крошку при температуре 600-800°С, после охлаждения крошки диатомита до температуры окружающей среды на нее распыляют консорциум микроорганизмов, состоящий из штаммов RHODOCOCCUS RHODOCHROUS ВКПМ В - 3043, PSEUDOMONAS PUTIDA ВКПМ В - 1827, ACINETOBACTER CALCOACETICUS ВКПМ В - 5971, ALCALIGENES SP ВКПМ В – 5269, затем опрысканные гранулы перемешивают в течение 15-20 минут в грануляторе при частоте оборотов от 30 до 40 Гц при наклоне чаши от 40 до 50 градусов до момента исчезновения комочков и влажных зон, после этого гранулы просушивают при температуре от 15 до 25°С, распределив их тонким слоем на чистой влагопоглощающей поверхности.