Биодеструкция нефтепродуктов

Обеззараживание почв загрязненной нефтепродуктами (нефть, ПАУ, алкены, парафины) в мировой и отечественной практике успешно проводится по методу, использующему микробиологическое разложение нефти на месте разлива с последующим самозарастанием очищенных земель или высевом многолетних трав. При этом можно использовать два подхода: биостимуляцию существующих в естественных условиях микроорганизмов, утилизирующих нефтепродукты, путем внесения азотно-фосфорных удобрений, изменения рН среды, аэрации и др. или внесение в почву подходящего биопрепарата [218].

Для того, чтобы избежать увеличения площади загрязнения применяют удобрения, покрытые пленкой парафина (препаратI NIPOL-EAP 22 французской фирмы «Elf Aquitaine». При этом основными бактериями, осуществляющими разложение нефти и ее производных, являются бактерии рода Fcinetobacter, Alaligenes, Pseudonnonas.

Разработаны варианты очистки с временным изъятием грунта что позволяет повысить эффективность очистки за счет повышения температуры. Цикл детоксикации занимает до 3 месяцев. Использование почвы для посевов возможно через 3-5 лет.

Существуют ситуации, когда введение бактериальных препаратов является единственным приемлемым способом обеззараживания. Например, в северных районах, где теплый период непродолжителен и процессы биодеградации не успевают развернуться в полной мере. Это особенно актуально для нашей страны, расположенной в основном в зоне умеренного климата.

Другая ситуация - внезапный разлив нефти в открытом море, где нефтеокисляющие бактерии практически отсутствуют. В этих случаях единственным радикальным способом ускорения биодеградации является внесение активных нефтеокисляющих препаратов. Современные нефтеокисляющие препараты представляют собой смесь лиофильно-высушенных штаммов бактерий и сопутствующих веществ – азотно-фосфорные соединения, ПАВы, иногда сорбенты (когда речь идет об очистке акваторий).

Одним из первых препаратов такого рода является Noscum, состоящий из инертного носителя, смешанного с углеводородокисляющими бактериями и питательными веществами американские препараты нового поколения - фенобак, петробак, гидробак. Для деградации нефти в тундровых почвах был разработан российский препарат, действующим компонентом которого являются бактерии Rhodococcus erythropolis [219]. Некоторые характеристики наиболее известных препаратов приведены в таблице 2.14.

С использованием биопрепаратов можно удалить до 90–98 % нефтезагрязнений в почвенной среде. Оставшиеся углеводороды, смолы, асфальтены, битумы и другие высокомолекулярные соединения устойчивы к биологическому разложению, но они инертны и не опасны для окружающей среды [219].

Таблица 2.14. Препараты для биодеструкциии нефтяных загрязнений [220].

Для обезвреживания твёрдых отходов ЦБП, содержащих хлорорганические ароматические соединения, в РФ рекомендован метод твердофазной ферментации шлам - лигнина с использованием штамма 0663 дереворазрушающего базидиомицета Coriolus Pubescens. Метод является экологически безопасным и, как показано на примере лигниновыхотходов Байкальского ЦБК, позволяет достичь 100 % -ного удаления фенолов и хлорорганических соединений, приводящих к образованию диоксинов [221].

В 2009 году в Канаде получен штамм микроорганизмов, перерабатывающих пластмассу. Это открытие казалось очень перспективным, но было высказано опасения, что в условиях неконтролируемого размножения, микроорганизмы могут переработать вообще всю пластмассу, которой пользуется человек [222, 223].

Обработка базидиальными грибами.

Базидиальные грибы являются основными деструкторами полимерных, в том числе, лигноцеллюлозных остатков в естественных условиях. Их условно подразделяют на три группы: грибы белой гнили, бурой гнили и мягкой гнили. Грибы белой гнили являются единственными микроорганизмами, способными осуществлять полную биодеградацию лигноцеллюлозных субстратов и продуктов их переработки (в том числе токсичных хлорлигнинов) и широкого ряда ксенобиотоков (таких как полициклические ароматические углеводороды, пентахлорфенолы, фенантрен). Кроме того, грибная масса способна аккумулировать из окружающей среды Pb, Zn, Hg, Ni, Co и др. тяжелые металлы [180].

Возможность использования базидиальных грибов для разложения лигнина и его модификаций в отходах целлюлозно-бумажного производства в настоящее время широко исследуется. На предприятиях, применяющих для отбеливания целлюлозы молекулярный хлор, образуются полихлорированные дибензо-n-диоксины (ПХДД) и дибензофураны (ПХДФ) – высокотоксичные, канцерогенные соединения, которые являются представителями хлорированных циклических ароматических эфиров [224]. Способность детоксицировать образующуюся на ЦБК пульпу была показана для целого ряда базидиомицетов, включая Phanerochaete chrysosporium, Trametes versicolor, Fomes lividus и Thelephora sp. [225-229].

В работе [229] с помощью культуры гриба вешенки обыкновенной, из сточных вод ЦБП удалено 77% лигнина и снижены показатели загрязнения: 76,8% БПК, 60% ХПК, 80% цветность.

В РФ запатентован способ биологической очистки сточных вод целлюлозно-бумажной промышленности от водорастворимого сульфатного лигнина с помощью базидиомицета Alternaria alternata [230]. Определяющую роль в детоксикации сточных вод ЦБК в большинстве случаев играет выделяемая грибами лакказа, а ведущая роль Mn-пероксидазы показана только для определенных штаммов (например, T. versicolor) [180]. В технологиях биологической очистки сточных вод ЦКБ нашли применение базидиальные грибы, относящиеся к следующим родам: Alternaria, Phanerochaete, Phlebia, Scytinostroma и Trichaptum.

В табл. 2.15 приведены запатентованные способы очистки сточных вод ЦБК и детоксикации сопутствующих ксенобиотиков с использованием базидиальных грибов.

Таблица 2.15.Запатентованные способы очистки сточных вод ЦБК и детоксикации сопутствующих ксенобиотиков с использованием базидиальных грибов [180].

Важным преимуществом методов утилизации отходов ЦБП с помощью грибов является то, что их рост способствуют значительному обезвоживанию шлама и облегчает его дальнейшую переработку [231]. Такой метод обезвоживания является наиболее безопасным и экологически чистым. В процессе жизнедеятельности изолированные нитевидные грибы захватывают твердые частицы субстрата - шлама и сжимают его гифами мицелия, образуя пеллеты. Грибковые пеллеты могут увеличивать свою биомассу за счет вторичного метаболизма, используя растворимые и нерастворимые субстраты. Такие процессы вызывают выделение и отстаивание воды, изменяют пористую структуру шлама и улучшают его фильтруемость [232, 233].

Установлено, что после обработки шламов базидиальными грибами такие показатели как время капиллярного всасывания (ВКВ) и удельное сопротивление фильтрации (УСФ), по которым количественно определяют способность осадков сточных вод к влагоотдаче, заметно уменьшаются. Обработка проводится при температурах 25-35оС в течение нескольких дней при концентрациях грибной культуры 1-2% (спор мл/л). Иногда в небольшом количестве (1-2%) вводится вспомогательный субстрат, например пшеничная мука [231].

Эффективность обработки зависит от соотношения жидкости и твердой фазы. При 5-ти дневной обработке шлама бытовых сточных вод грибами Penicillium corylophilum хорошие результаты (ВКВ < 20 с) получены при концентрации суспендированных твердых веществ >15 г/л [221]. Приемлемыми значениями показателя ВКВ считаются 15-20 [219]. Добавление ионов Ca 2+ улучшает обезвоживание шлама [232].

Исследование обезвоживания ила очистных сооружений с помощью штаммов Penicillium corylophilum и Aspergillus niger проводилось также в [233]. Максимальное падение показателя УСФ на 91-93 % для Penicillium corylophilum и 87-90 % для Aspergillus niger достигалось после 2 дней обработки, и в дальнейшем происходило лишь незначительное обезвоживание.

На 70% уменьшался показатель УСФ (самое низкое значение 1,75*1012 м/кг наблюдалось через 6 дней) при обработке шлама грибами Mucor hiemalis. Величина УСФ = 1,08*1012 м / кг получена после 6-ти дневной обработки шлама грибами Mucor hiemalis и смешанной культурой Aspergillus niger и Penicillium corylophilum [234]. Эти результаты указывают на положительное влияние обработки сырых шламов базидиальными грибами с целью их обезвоживания.

Метод вермикультивирования

Авторами [235] разработана технология утилизации твердых отходов ЦБП методомвермикультивирования. По этой технологии избыточный активный ил, образующийся в результате биологической очистки сточных вод ЦБП, в короткий срок может быть переработан в биогумус и биомассу с помощью вемикультуры - дождевых червей-деструктантов, адаптированных к утилизируемым отходам. Предложено аппаратурное и технологическое оформление процесса с использованием биореакторов вертикального типа. Производительность опытно-промышленной установки составляет 18 т биогумуса в год.