Изобретение относится к восстановлению нефтезагрязненных земель. Способ рекультивации нефтезагрязненных земель заключается в том, что наносят материал на поверхность нефтезагрязненных земель. В качестве материала используют отработанный проппант в виде шариков с плотностью более 10 3 кг/м 3 , которые продавливают нефтезагрязненную почву. Реализация данного способа позволяет повысить эффективность рекультивации нефтезагрязненных земель, а также утилизировать отходы нефтегазовой промышленности.

Изобретение относится к области экологии и может найти применение при восстановлении нефтезагрязненных земель.

Известен способ рекультивации нарушенных почв (RU 2044434 С1), являющийся прототипом предлагаемому способу, включающий укладку на рекультивируемую поверхность грунтов органического субстрата, полученного из обезвоженного ила и коры. После укладки компост засыпают сверху слоем песка или почвы.

Недостатком данного способа является необходимость применения песка или почвы, что увеличивает материальные затраты использования технологии.

Целью предлагаемого способа является повышение эффективности процесса рекультивации нефтезагрязненных земель, а также утилизация отходов нефтегазовой промышленности.

Под отходами нефтегазовой промышленности понимается материал, используемый при гидравлическом разрыве пласта. Данный материал имеет круглую форму в виде шариков с плотностью более 10 3 кг/м 3 .

Наиболее приемлемым материалом является отработанный проппант, который может быть представлен как в виде алюмосиликатного, так и силикатного материала. Часть проппанта после гидравлического разрыва пласта выбрасывается на поверхность и образует отход, который складируется на поверхности кустовых площадок.

Предлагаемый способ рекультивации нефтезагрязненных земель заключается в том, что берут шарики с плотностью более 10 3 кг/м 3 и с помощью известного оборудования наносят на поверхность нефтезагрязненной земли.

Шарики продавливают нефтяную пленку, образуя множество отверстий, чем обеспечивают поступление воздуха и влаги в почву, что ускоряет размножение аборигенных микроорганизмов. В результате происходит деградация нефтезагрязнений и восстановление нарушенных земель.

Способ рекультивации нефтезагрязненных земель, заключающийся в том, что материал наносят на поверхность нефтезагрязненных земель, отличающийся тем, что в качестве материала используются отработанный проппант в виде шариков с плотностью более 10 3 кг/м 3 , которые продавливают нефтезагрязненную почву.

Похожие патенты:

Изобретение относится к области охраны окружающей среды и касается сорбентов, применяемых для очистки почвы и водоемов от различных химических загрязнений, в частности нефти и нефтепродуктов.

Изобретение относится к биотехнологии и предназначено для проведения биоремедиационных мероприятий по очистке от загрязнителей углеводородной природы, в первую очередь от нефти и горючесмазочных веществ.

Изобретение относится к сельскому хозяйству и, в частности, к биологической рекультивации земель, загрязненных отходами химического производства. .

Изобретение относится к области охраны окружающей среды и может быть использовано при аварийных ситуациях, связанных с проливами ракетного топлива: несимметричного диметилгидразина (НДМГ), а также при очистке почвы и грунта в местах падения отделяющихся ступеней ракет-носителей.

Изобретение относится к нефтяной промышленности и экологии и может быть использовано для очистки-рекультивации от загрязнений нефтью и нефтепродуктами почв земель сельскохозяйственного и промышленного назначения в районах Крайнего Севера с применением растений

Матвеева Елена Александровна, ученица 11 «Б» класса МБОУ «СОШ №7»

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.

Скачать:

Предварительный просмотр:

Региональный этап всероссийской олимпиады школьников по экологии

Рекультивация

нефтезагрязненных земель

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.

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.

1. 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:

Наименование показателя	Всего, га	Из них
		при разработке месторождений полезных ископаемых (включая общераспространенные полезные ископаемые)	вследствие утечки при транзите нефти, газа, продуктов переработки нефти
Наличие нарушенных земель на 01.01.12 г. - всего	71794,2	31999,8	402,5
в том числе отработано	3174,2	2185,9	19,4
За отчетный 2012 г. нарушено земель - всего	15256,8	2217,5	50,5
Отработано из общей площади нарушенных земель	16964,8	15872,6
Рекультивировано земель - всего	14193,4	2955,2	52,9
Наличие нарушенных земель на 01.01. 13 г. - всего	72857,5	31262,2	400,1
в том числе отработано	2048,4	1282,0	19,7

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/ )

1. 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).

1. 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 10 8 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 20 о С.

2.2 Методика исследования

Для исследовательских работ мы использовали два сосуда с загрязненной нефтью песчаной почвой: непосредственно исследуемый (микробиологическая очистка) и контрольный (естественная очистка). В каждом мы предварительно замешали по 75 см 3 (1087,5 г) песка с 25 см 3 (212,5 г) нефти. То есть вес песчано-нефтяной смеси в каждом сосуде составил 1300,0 г.

Подготовка рабочей суспензии из сухого биопрепарата «Ленойл».

• 20 грамм биопрепарата растворить в 5 литрах воды;
• В разведенную смесь добавить 2 см 3 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:

Период	Вес контрольного сосуда	% концентрации нефти	Вес исследуемого сосуда	% концентрации нефти
Начало опыта	1300,0	100%	1300,0	100%
1-ая неделя	1287,3		1283,0
2-ая неделя	1278,8		1268,1
3-я неделя	1272,4		1240,5
4-ая неделя	1268,1		1215,0

Степень биодеградации нефти:

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 уг леводородокисляющей 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

Когда завершается сбор «видимой» нефти, тогда замеряется остаточная концентрация нефти в грунте, которая зависит, в частности, и от применяемых технологий.

После аварии власти часто ставят задачу полностью очистить территорию от нефтяного разлива. Но оказалось, чтобы выполнить такие жесткие нормативы, пришлось бы полностью уничтожить верхний слой не только на месте разлива. Ученые предложили отказаться от обязательного требования очистить почву до такой степени, чтобы на всей территории разлива содержание нефти было не более 1 г на 1 кг почвы, и поднять остаточное содержание нефти от 3 до 8 граммов - в зависимости от того, как используется земля. Во многих случаях не стоит даже пытаться восстановить полностью исходную экосистему. Во-первых, потому, что это практически невозможно, во-вторых, потому, что с определенными концентрациями нефти природа справляется сама.

Целесообразно привязать нормативы загрязненности к различным природным зонам - тундре, тайге, широколистным лесам, лесостепям и так далее. Разные по своему строению и биохимическому составу почвы тоже ведут себя по отношению к загрязнению по-разному. Хуже всего дело обстоит с торфяником, который практически сразу впитывает нефть и нефтепродукты, и их практически невозможно извлечь. Килограмм торфа может удерживать от 100 до 500 граммов нефтепродуктов. Песчаные и глинистые почвы впитывают примерно в 100 раз меньше, и в случае разлива нефтяное пятно почти полностью остается на поверхности.

Задача состоит в том, чтобы определить, при каком уровне загрязненности не наблюдается угнетение экосистемы, и выбрать вариант очистки почв до допустимого уровня без нанесения большого ущерба окружающей среде. Наиболее жестким должен быть подход в тех случаях, когда продукты нефтяного загрязнения могут попасть в открытые водоемы -реки, озера, море.

Под термином «рекультивация нефтезагрязненных земель» понимается комплекс мер, направленный на ликвидацию разлива нефти как источника вторичного загрязнения природной среды, нейтрализацию остаточной нефти в почве до уровня фитотоксичности и восстановление плодородия загрязненных почв до приемлемой хозяйственной значимости.

Но нет четких нормативов, до какой степени надо очищать почву от разливов нефти и нефтепродуктов. Сегодня эта задача передана на региональный уровень, поскольку нормативы по загрязнению зависят от большого числа сугубо местных факторов. Эта работа весьма актуальна. Определение допустимых параметров нефтяного загрязнения, во-первых, позволит снизить как прямой, так и побочный экологический ущерб, возникающий при проведении работ по рекультивации земель. Во-вторых, даст возможность нефтяным компаниям выработать оптимальные корпоративные природоохранные стратегии. И, наконец, в-третьих, позволит государственным контролирующим органам эффективнее воздействовать на нарушителей.

Для успешной борьбы с последствиями разливов нужно достоверно знать степень их воздействия на природу, а это до сих пор представляется даже специалистам весьма сложным. В определенных концентрациях нефть может и не наносить ущерба почве - иногда гораздо больший вред наносят действия человека по ее очистке.

В советское время не существовало никаких нормативов, которые бы определяли, до какой степени предприятия должны были очищать почву, которая загрязнялась в процессе выполнения тех или иных работ. Теоретически считалось, что почву надо было очищать до исходного природного состояния. Расчетные ориентировочно допустимые концентрации (ОДК) нефти в грунтах после проведения восстановительных работ приведены в таблице 3.

Таблица 3. Ориентировочно допустимые концентрации нефти в грунтах после проведения восстановительных работ

Биологическая рекультивация - этап рекультивации земель, включающий мероприятия по восстановлению их плодородия, осуществляемый после технической рекультивации. Принято различать в биологическом этапе восстановления земель два направления. Первое - это активизация разложения нефти в почве (восстановление почвы), второе - восстановление растительного покрова. Выбор направления зависит от исходного состояния почвы после технической рекультивации.

Когда дальнейшее проведение технической уборки уже не дает должного эффекта и может стать причиной уничтожения легкоуязвимых почв, тогда активизация микробиологического разложения нефти в почве (биоремедиация) остается единственно возможной мерой для ее доочистки. Под термином биоремедиация принято понимать применение технологий и устройств, предназначенных для биологической очистки почв и водоемов, т.е. для удаления из почвы и воды уже находившихся в них загрязнителей.

К основным принципам технологий биоремедиации почв относятся:

биостимуляция in siti, биостимуляция in vitro и биоаугментация.

Биостимуляция in siti (биостимуляция на месте загрязнения). Этот подход основан на стимуляции роста природных микроорганизмов, естественно содержащихся в загрязненной почве и потенциально способных утилизировать загрязнитель, но не способных делать это эффективно из-за отсутствия полного набора пищевых компонентов (недостаток соединений азота, фосфора, калия и др.). В этом случае в ходе лабораторных испытаний с использованием образцов загрязненной почвы устанавливают, какие именно пищевые добавки и в каких количествах следует внести в загрязненную почву, чтобы стимулировать рост микроорганизмов, способных утилизировать загрязнитель.

Биостимуляция in vitro. Отличие этого подхода от вышеописанного в том, что биостимуляция образцов естественной микрофлоры загрязненной почвы или воды проводится сначала в лабораторных или промышленных условиях (в биореакторах или в ферментерах). При этом в биореакторах обеспечивается преимущественный и избирательный рост тех микроорганизмов, которые способны наиболее эффективно утилизировать данный загрязнитель.

Затем таким образом «стимулированную» (специально отселекционированную, обогащенную) микрофлору вносят в загрязненную почву. При этом одновременно со «стимулированными» микроорганизмами вносят и необходимые пищевые добавки, повышающие эффективность утилизации загрязнителя. Иногда бывает необходимо обеспечить принудительную аэрацию загрязненной почвы, чтобы повысить скорость микробного окисления загрязнителей.

Биоаугментация (биоулучшение). В этом случае в загрязненную почву вносят относительно большие количества специализированных микроорганизмов, которые заранее были выделены из различных загрязнений и/или генетически модифицированы.

Основная цель агробиологических методов - это активизация аборигенной микрофлоры путем изменения субстратных условий (усиление аэрации почвы рыхлением и внесением органических удобрений, создание необходимого водного режима грунтов мелиоративными методами, улучшение минерального баланса добавлением в почву минеральных удобрений).

Достаточно важное место в успешном решении проблемы восстановления растительного покрова на участках, подвергшихся загрязнению нефтью и нефтепродуктами, занимает подбор видов многолетних трав, способных успешно развиваться в жестких рамках климатических условий и загрязняющих факторов. При благоприятных условиях среды (оптимальная температура, соленость, рН, достаточная степень аэрации, обеспеченность элементами минерального питания) удачно подобранная культура или смесь штаммов способны за короткое время практически полностью утилизировать десятки тонн нефтяных углеводородов, трансформируя их в органическое вещество собственной биомассы, углекислый газ и безвредные для окружающей среды продукты.

Нефтяные загрязнения почвы и воды, которые в последнее время встречаются все чаще, наносят большой ущерб окружающей среде. Одним из важнейших природоохранных мероприятий, направленных на восстановление плодородия нефтезагрязненных земель, является рекультивация. Применение сорбционно-биологических технологий на основе сфагнума в последние годы дает прекрасные результаты.

Причины нефтезагрязнений

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 механическое повреждение. Лидирующие позиции по числу аварийных разливов нефти и нефтепродуктов занимают магистральные и внутрипромысловые продуктопроводы. Подавляющее большинство ЧП здесь связано с коррозией оборудования и некачественными строительно-монтажными работами, лишь незначительная часть — с заводским браком и ошибками эксплуатации.

Природоохранное законодательство РФ предписывает локализовать и ликвидировать разлив нефти и нефтепродуктов в кратчайшие сроки и довести до допустимого уровня остаточное содержание углеводородов в окружающей среде. Должны быть проведены работы по рекультивации земель, полностью или частично утративших продуктивность в результате разлива нефти. Рекультивируемые земли и 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 разработали ПЛАРН, но и не имеют в наличии технических средств и материалов для устранения аварийного разлива нефти и нефтепродуктов.

Методы локализации и ликвидации аварийных разливов нефти

Механические методы локализации и ликвидации аварийных разливов нефти позволяют собирать с поверхности почвы и воды при помощи специализированных механизмов и устройств основную массу разлитых углеводородов. При этом внушительная часть углеводородов впитывается в почву, и собрать их механическими методами не представляется возможным. С развитием науки и техники наравне с механическими методами ликвидации разлива нефтепродуктов стали применяться физико-химические и биологические методы. Физико-химические методы устранения нефтезагрязнений основаны на применении сорбционных материалов, которые обладают способностью поглощать нефть. Эти материалы можно разделить на адсорбенты и абсорбенты в зависимости от механизма поглощения нефти. В свою очередь каждый из этих материалов различается своим происхождением, дисперсностью, нефте-емкостью, плавучестью, влагоемкостью и другими показателями.

Сегодня применяются неорганические и органические сорбенты, имеющие как природное, так и синтетическое происхождение. Многие сорбенты универсальны, поскольку способны поглощать довольно большой спектр нефтепродуктов. В последнее время при выборе средств для ликвидации аварийных разливов и их последствий все большее предпочтение отдается сорбентам, способным не только хорошо поглощать нефть и нефтепродукты, но и разлагать их на простые и безопасные вещества — углекислый газ и воду. В этом случае процесс биоразложения нефтепродуктов достигается естественным путем при помощи микроорганизмов. Чтобы ускорить биоразложение нефтепродуктов, наравне с сорбентами могут применяться биопрепараты, в состав которых входят колонии различных микроорганизмов-биодеструкторов нефтепродуктов.

Рис. 1. Динамика снижения содержания углеводородов в нефтезагрязненной почве по отношению к исходному содержанию через 2 недели

Рекультивация почвы и водоемов с помощью биоразлагающих сорбентов

Разлив нефтепродуктов способен уничтожить флору и фауну, вызвать мутацию микроорганизмов, живущих в почве и в воде. Восстановление растительности на нефтезагрязненных поч-вах замедляется либо не представляется возможным вовсе.

Рекультивация нефтезагрязненных земель — это первостепенная задача при ликвидации последствий разлива нефти и нефтепродуктов. В проведении рекультивационных работ нуждается 95,9% общего количества нефтезагрязненных земель. Ежегодно площади нарушенных земель, требующих рекультивации, увеличиваются на 10 тыс. га в год.
Стоит вспомнить недавний пример: 25 апреля 2012 г. из-за незаконной врезки в трубопровод, принадлежащий комбинату Росрезерва «Прибайкалье», в Ангару попало свыше 300 т нефтепродуктов. На данный момент утечка устранена, однако концентрация загрязнений, как сообщает Росприроднадзор, превышает норму в 20-120 раз — в зависимости от удаленности от источника загрязнения.

Хорошие показатели рекультивации нефтезагрязненных площадей достигаются благодаря использованию абсорбента на основе модифицированного сфагнового мохового торфа. Суть модификации состоит в том, что при высокотемпературной обработке торф меняет свои свойства с гидрофильного на гидрофобное и олеофильное. Гуминовая составляющая работает как катализатор активности аборигенного биоценоза, значительно повышая эту активность и ускоряя его взаимодействие с углеводородами. После биологического распада углеводорода торфяная капсула переходит в гидрофильное состояние и начинает впитывать воду, как в обычных природных условиях, становясь полезным компонентом как почвы, так и воды.

С целью подтверждения эффективности применения на водной поверхности абсорбента на основе модифицированного сфагнового мохового торфа проводились испытания на базе одной из эколого-аналитических лабораторий. В ходе этих испытаний были определены основные показатели данного абсорбента: насыпная плотность, нефтеемкость, плавучесть; проверена сорбирующая способность абсорбента по нефти на водной поверхности. Кроме того, была определена оценка степени очистки водной поверхности от нефти абсорбентом. Измерения на основе флуориметрического метода показали, что среднее остаточное содержание растворенной нефти в воде после применения сорбента для сбора разлитой нефти, полученное из трех измерений, составляет 0,086 мг/л (0,094; 0,073; 0,091). Это полностью соответствует ПДК в воде объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования: предельное содержание нефти 0,3 мг/л, многосернистой нефти — 0,1*.

Специалистами кафедры промышленной экологии РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина под руководством зав. кафедрой профессора С. В. Мещерякова было подробно изучено влияние торфяного абсорбента на очистку почвы от нефтяного загрязнения. Эксперимент, проводившийся в лаборатории кафедры в течение семи месяцев, показал, что применение абсорбента на базе модифицированного сфагно-вого мохового торфа при рекультивации почв, загрязненных нефтью, приводит к значительному снижению содержания в почве углеводородов, уменьшению показателей токсичности до фоновых значений и практически полному снижению угнетения роста растений. Это означает, что применение абсорбента на базе модифицированного сфагнового мохового торфа за короткое время нормализует экологическую ситуацию на месте ликвидации разлива нефти.

Через две недели после начала эксперимента в двух образцах с применением сорбента в пропорции нефть/абсорбент 1:1 и 4:1 с внесением комплексного гранулированного удобрения содержание углеводородов снизилось на 73% и 67% соответственно, а через 6 месяцев — на 94,3% и 94% соответственно (рис. 1). В остальных образцах за аналогичный двухнедельный период этот показатель составлял 15-47%, причем дальнейшее снижение количества углеводородов в образцах без абсорбента затормозилось. Согласно нормам ХМАО, образцы с примене-нием сорбента в пропорции с нефтью 1:1 и 1:4 позволяют принять земли с такими показателями к обороту. Для оценки рекультивации земли с биологической точки зрения был проведен ряд дополнительных исследований о влиянии сорбента на основе модифицированного сфагнового мохового торфа на процесс рекультивации земель.

Рис. 2. Влияние абсорбента на фоне нефтяного загрязнения на токсичность почв в динамике (тест-объект — инфузории Paramecium Caudatum)

*1. Постановление Правительства РФ № 613 от 21.08.00 г. «О неотложных мерах по предупреждению и ликвидации аварийных разливов нефти и нефтепродуктов» (в ред. от 15.04.02 г. за № 240).
2. Приказ МПР № 144 от 2003 г. «О совершенствовании работы в области борьбы с нефтеразливами».
3. Отчет по результатам исследования кафедрой промышленной экологии ФХТЭ РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина «Изучение влияния торфяного абсорбента на очистку почвы от нефтяного загрязнения».— М., 2008 г.
4. ГН 2.1.5.1315-03 «О ПДК химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования» от 04.03.98 г. (с изменениями от 15.06.03 г.).

Исследование токсичности почвы

На ранних сроках проведения эксперимента токсичность почв достигала высокого уровня. Через 3 месяца во всех образцах, где был применен модифицированный сфагновый моховой сорбент, уровень токсичности приблизился к нулевым показателям (рис. 2).

Активность микробиоценоза почв

Угнетение микробиоценоза почвы наблюдалось на протяжении всего эксперимента во всех образцах. Исключением является образец, где доза абсорбента максимальная (пропорция с нефтью 1:1). Образцы, в которых пропорциональное соотношение нефти и абсорбента составляло 4:1, 2:1 и 4:1 с применением удобрения, можно рассматривать как благополучные на завершающем этапе эксперимента, где угнетение незначительно превышает допустимое значение в 30% (рис. 3).

Рис. 3. Влияние абсорбента на фоне нефтяного загрязнения на активность микробиоценоза почв в динамике

Фитоценотические показатели

Изучение фитоценотических показателей злаковых растений выявило токсичность почвы всех экспериментальных образцов. Менее выражена токсичность почвы в образцах с применением абсорбента. У всех растений, участвовавших в эксперименте (пшеница, овес, редис и трава для откосов), резко выражено угнетение корневой системы из-за токсичности почвы. Наиболее чувствительными к нефтяному загрязнению оказались семена пшеницы. Надземная часть растений также угнетена. По мере увеличения количества абсорбента в загрязненной земле (пропорциональное соотношение с нефтью 2:1 и 1:1) угнетение несколько снижалось. Самые хорошие показатели (рис. 4) по результатам комплексных исследований были отмечены у двух образцов: первый — с умеренной дозой абсорбента на базе модифицированного сфагнового мохового торфа (соотношение с нефтью 4:1) на фоне удобрения; второй — с максимальной дозой этого же абсорбента (пропорция с нефтью 1:1). В результате проведенных биологических исследований выявлено, что, несмотря на снижение уровня углеводородов в нефтезагрязненной почве без применения абсорбента, полноценная жизнедеятельность растений не обеспечивается.

Рис. 4. Фитоценотические показатели травы для откосов (продолжительность выращивания — 30 суток)

С целью определения эффективности рекультивации земель с помощью абсорбента проводились исследования на возможность биоразложения нефтяных загрязнений и бурового шлама. Результаты показали, что количество нефтепродуктов в опытных образцах снизилось на 78%. В дальнейшем уровень нефтепродуктов в опытных образцах продолжал снижаться и через 100 дней приблизился к предельно допустимым концентрациям (см. таблицу).

Табл. 1. Оценка показателей содержания буровых отходов до и после применения абсорбента

* ОДКнп (отдельно допустимая концентрация нефтепродуктов в отдельно взятом субъекте Федерации) = 1000 мг/кг.

Высокие показатели очистки нефтезагрязненных земель и водоемов при помощи сорбента на основе модифицированного сфагнового мохового торфа послужили основанием для ввода его в стандартную процедуру рекультивации почв и водоемов от нефти/нефтепродуктов и буровых шламов рядом с крупнейшими предприятиями. Примером может служить применение абсорбента на нефтезагрязненных землях одного из предприятий в ХМАО (см. фото). Перед применением абсорбента содержание нефтепродукта в почвогрунте составляло 28%. Через 45 дней после внесения сорбента содержание нефтепродукта уменьшилось на 20% и составило 5,8%, что меньше ПДК для ХМАО (6%).

Рекультивацию земель можно считать завершенной после создания густого и устойчивого травостоя, при этом концентрация остаточных нефтепродуктов со значениями коэффициента окисления нефти более 90% не должна превышать в среднем по участку 8,0% в органогенных и 1,5% в минеральных и смешанных грунтах.

Рассмотрение всего эксперимента в динамике развития позволяет сделать вывод о том, что рекультивация почв, загрязненных нефтью, происходит быстрее и эффективнее с применением биоразлагающих сорбентов. Кроме того, биоразлагающие сорбенты оказывают положительное воздействие на развитие растений на нефтезагрязненных землях. Особенно хорошо зарекомендовал себя сорбент на основе модифицированного сфагнового мохового торфа.

Сорбент помогает нормализовать экологическую ситуацию на месте аварийного разлива нефти, причем как на почве, так и на воде. Его достаточно рассыпать на месте разлива нефтепродуктов и оставить на некоторое время. Он ускоряет процессы рекультивации нефтезагрязненных земель и водоемов, очистки почвы от буровых отходов, его применение оправданно не только с экономической, но и экологической точек зрения, что подтверждено экспериментами.

Полная или частичная перепечатка материалов - только с письменного разрешения редакции!

Техногенные потоки углеводородов в ландшафтах, в особенности нефти с солеными водами, приводят к потере продуктивности земель, деградации растительности, образованию бедлендов. Для почв и грунтов, сильно загрязненных нефтью и нефтепродуктами характерны неблагоприятные структурные и физико-химические свойства для использования их в хозяйственных целях. Отдавая сорбированные углеводороды в виде растворенных продуктов, эмульсий или испарений, загрязненные почвы служат постоянным вторичным источником загрязнения других компонентов окружающей среды: вод, воздуха и растений.

Рекультивация земель - это комплекс мероприятий, направленных на восстановление продуктивности и хозяйственной ценности нарушенных и загрязненных земель, а также на улучшение условий окружающей среды. Задача рекультивации - снизить содержание нефтепродуктов и находящихся с ними других токсичных веществ до безопасного уровня, восстановить продуктивность земель, утерянную в результате загрязнения.

Результаты научных исследований по рекультивации почв в различных регионах мира публикуются многими отечественными и зарубежными авторами. Обзор этих работ вместе с новыми данными был опубликован в книге коллектива авторов (Восстановление нефтезагрязненных.., 1988). Необходимо отметить, что исследования, осуществляемые в различных почвенно-климатических условиях и разными методами, часто дают неоднозначные или прямо противоположные результаты. Недостаточным бывает и срок наблюдений, что не позволяет учесть последействие проводимых мероприятий. В настоящее время применяют несколько принципиально различных способов рекультивации почв, загрязненных нефтью и нефтепродуктами.

Термический и термоэкстракционный способы. Нефтепродукты удаляют путем прямого сжигания на месте, либо в специальных установках. Наиболее дешевый способ - сжигание нефтепродуктов или нефти на поверхности почвы. Этот способ неэффективен и вреден по двум причинам: 1) сжигание возможно, если нефть лежит на поверхности густым слоем или собрана в накопители, пропитанные ею почва или грунт гореть не будут; 2) на месте сожженных нефтепродуктов продуктивность почв, как правило, не восстанавливается, а среди продуктов сгорания, остающихся на месте или рассеянных в окружающей среде, появляется много токсичных, в частности канцерогенных, веществ.

Очистка почв и грунтов в специальных установках путем пиролиза или экстракции паром дорогостояща и малоэффективна для больших объемов грунта. Во-первых, требуются большие земляные работы для пропускания грунта через установки и укладки его на место, в результате чего разрушается естественный ландшафт; во-вторых, после термической обработки в очищенной почве могут остаться новообразованные полициклические ароматические углеводороды - источник канцерогенной опасности; в-третьих, остается проблема утилизации отходящих экстрактов, содержащих нефтепродукты и другие токсичные вещества.

Экстракционная очистка почвы “т-в^и” поверхностноактивными веществами. Технология очистки почв и грунтовых вод путем промывания их поверхностно-активными веществами применяется, например, на базах ВВС США. Этим способом можно удалить до 86% нефти и нефтепродуктов; он наиболее эффективен для глубокозалегающих водоносных горизонтов, по которым фильтруется загрязненная грунтовая вода. Применение же его в широких масштабах вряд ли целесообразно, так как поверхностно-активные вещества сами загрязняют среду и появится проблема их сбора и утилизации.

Микробиологическая рекультивация с внесением штаммов микроорганизмов. Очистка почв и грунтов путем внесения специальных культур микроорганизмов - один из наиболее распространенных способов рекультивации, основанный на изучении процессов биодеградации нефти и нефтепродуктов. Современный уровень изученности микроорганизмов, способных ассимилировать углеводороды в природных и лабораторных условиях, позволяет утверждать теоретическую возможность регулирования процессов очистки нефтезагрязненных почв и грунтов. Однако многоступенчатость биохимических процессов разложения углеводородов разными группами микроорганизмов, осложняющаяся разнообразием химического состава нефти, обусловливает сложность регуляции устойчивого процесса их разложения. При использовании микробиологических методов возникают сложные проблемы взаимодействия вносимых в почву популяций с естественной микрофлорой. Определенные трудности связаны с отсутствием современных технических средств и методов непрерывного наблюдения и регулирования многофакторной системы субстрат - микробиоценоз - продукты метаболизма в условиях реальной почвы.

К применению бактериальных препаратов, полученных на основе монокультур, выделенных из природных штаммов в тех или иных регионах, следует подходить осторожно. Известно, что в разложении нефти принимает участие целый микробиоценоз с характерной структурой трофических связей и энергетического обмена, участвующий в разложении углеводородов на разнь этапах специализированными эколого-трофическими группами (Ис-майлов, 1988). Поэтому внедрение монокультуры может привести только к кажущемуся эффекту. Кроме того, подавление ею местного микробиоценоза может негативно сказаться на всей почвенной экосистеме и нанести ей больший вред, чем нефтяное загрязнение. Микробиологические препараты эффективно работают, как правило, в условиях достаточного увлажнения в сочетании с агротехническими приемами (Дядечко и др., 1990). Но эти же приемы стимулируют развитие находящихся в почвах тех же штаммов в сочетании со всем микробиоценозом, что ускоряет естественный процесс самоочищения.

Методы рекультивации, основанные на интенсификации процессов самоочищения. Приемы рекультивации, создающие условия для работы подавленных при сильном загрязнении механизмов естественного самоочищения почв, наиболее оптимальны и безопасны для почвенных экосистем. Разработке этой концепции для различных природных зон были посвящены исследования ряда лабораторий (Восстановление нефтезагрязненных 1988).

При оценке последствий нефтяного загрязнения не всегда можно сказать, вернется ли ландшафт к устойчивому состоянию или будет необратимо деградировать. Поэтому на всех мероприятиях, связанных с ликвидацией последствий загрязнения, с восстановлением нарушенных земель, необходимо исходить из главного принципа, не нанести природной среде больший вред, чем тот, который уже нанесен при загрязнении.

Суть концепции восстановления ландшафтов - максимальная мобилизация их внутренних ресурсов на восстановление своих первоначальных функций. Самовосстановление и рекультивация представляют собой неразрывный биогеохимический процесс. Рекультивация - это продолжение (ускорение) процесса самоочищения, использующее природные резервы - климатические, ландшафтно-геохимические и микробиологические.

Самоочищение и самовосстановление почвенных экосистем, загрязненных нефтью и нефтепродуктами, это стадийный биогеохимический процесс трансформации загрязняющих веществ, сопряженный со стадийным процессом восстановления биоценоза. Для разных природных зон длительность отдельных стадий этих процессов различна, что связано в основном с почвенноклиматическими условиями. Важную роль играют и состав нефти, наличие сопутствующих солей, начальная концентрация загрязняющих веществ.

Процесс естественного фракционирования и разложения нефти начинается с момента ее поступления на поверхность почвы или сброса в водоемы и водотоки. Закономерности этого процесса во времени были выяснены в общих чертах в ходе многолетнего эксперимента, проводимого на модельных участках в лесотундровой, лесной, лесостепной и субтропической природных зонах. Основные результаты этого эксперимента изложены в предыдущей главе.

Выделяют три наиболее общих этапа трансформации нефти в почвах: 1) физико-химическое и частично микробиологическое разложение алифатических углеводородов; 2) микробиологическое разрушение главным образом низкомолекулярных структур разных классов, новообразование смолистых веществ; 3) трансформация высокомолекулярных соединений: смол, асфальтенов, полициклических углеводородов. Длительность всего процесса трансформации нефти в разных почвенно-климатических зонах различна: от нескольких месяцев до нескольких десятков лет.

В соответствии с этапами биодеградации происходит постепенная регенерация биоценозов. Эти.процессы идут медленно, разными темпами, в разных ярусах экосистем. Значительно медленней, чем микрофлора и растительный покров, формируется сапрофитный комплекс животных. Полной обратимости процесса, Как правило, не наблюдается. Наиболее сильная вспышка микробиологической активности приходится на второй этап биодеградации нефти. При дальнейшем снижении численности всех групп микроорганизмов до контрольных значений численность уг-леводородокисляющих микроорганизмов на многие годы остается аномально высокой по сравнению с контролем.

Как было установлено в опытах с многолетним злаком Костром безостым, восстановление нормальных условий для его произрастания на загрязенной нефтью почве зависит от уровня начального загрязнения. В южнотаежной зоне (Пермское Прикамье) при уровне нагрузки нефти на почву 8 л/м 2 уже через год после одноактного загрязнения (без участия солей) злак мог нормально расти в спонтанно восстанавливающейся экосистеме. При более высоких первоначальных нагрузках (16 и 24 л/м 2) нормальный рост растения не восстанавливался, несмотря на прогрессирующие процессы биодеградации нефти.

Таким образом, механизм самовосстановления экосистемы после нефтяного загрязнения достаточно сложен. Для управления этим механизмом необходимо определить границы метастабиль-ного состояния экосистемы, в которых еще возможно хотя бы частичное самовосстановление, и найти эффективные способы, как вернуть экосистему в эти границы. Решение этой задачи поможет определить оптимальные пути рекультивации загрязенных нефтью почвенных экосистем.

Как указано выше, механические и физические методы не могут обеспечить полное удаление нефти и нефтепродуктов из почвы, а процесс естественного разложения загрязнений в почвах чрезвычайно длителен. Разложение нефти в почве в естественных условиях - процесс биогеохимический, в котором главное и решающее значение имеет функциональная активность комплекса почвенных микроорганизмов, обеспечивающих полную минерализацию углеводородов до СОг и воды. Так как углеводородокисляющие микроорганизмы являются постоянными компонентами почвешшх биоценозов, естественно возникло стремление использовать их ка-таболическую активность для восстановления нефтезагрязненных почв. Ускорить очистку почв от нефтяных загрязнений с помощью микроорганизмов возможно в основном двумя способами: 1) активизацией метаболической активности естественной микрофлоры почв путем изменения соответствующих физико-химических условий среды (с этой целью используются хорошо известные агротехнические приемы); 2) внесением специально подобранных активных нефтеокисляющих микроорганизмов в загрязненную почву. Каждый из этих способов характеризуется рядом особенностей, а их практическая реализация часто наталкивается на трудности технического и экологического порядка.

С помощью агротехнических приемов можно ускорить процесс самоочищения нефтезагрязненных почв путем создания оптимальных условий для проявления потенциальной катаболической активности УОМ, входящих в состав естественного микробиоценоза. Распашка загрязненных нефтью территорий рекомендуется спустя некоторое время, в течение которого нефть частично разлагается (Mitchell et al., 1979). Обработка является мощным регулирующим фактором, стимулирующим самоочистку нефтезагрязненных почв. Она положительно влияет на микробиологическую и ферментативную активность, так как способствует улучшению условий жизнедеятельности аэробных микроорганизмов, которые количественно и по интенсивности метаболизма доминируют в почвах и являются основными деструкторами углеводородов. Рыхление загрязненных почв увеличивает диффузию кислорода в почвенные агрегаты, снижает концентрацию углеводородов в почве в результате улетучивания легких фракций, обеспечивает разрыв поверхностных пор, насыщенных нефтью, но в то же время способствует равномерному распределению компонентов нефти в почве и увеличению активной поверхности. Обработка почвы создает мощный биологически активный слой с улучшенными агрофизическими свойствами. В почве при этом создается оптимальный водный, газовоздушный и тепловой режим, растет численность микроорганизмов и их активность, усиливается активность почвенных ферментов, увеличивается энергия биохимических процессов.

В первые недели и месяцы после загрязнения происходят в основном абиотические процессы изменения нефти в почве. Идет стабилизация потока, частичное рассеяние, понижение концентрации, что дает возможность микроорганизмам адаптироваться, перестроить свою функциональную структуру и начать активную деятельность по окислению углеводородов. В первые месяцы после загрязнения содержание нефти в почве снижается на 40-50%. В дальнейшем это снижение идет очень медленно. Меняются диагностические признаки остаточной нефти, вещество, первоначально почти полностью извлекающееся гексаном, затем преимущественно извлекается хлороформом и другими полярными растворителями.

Первая стадия длится в зависимости от природных условий от нескольких месяцев до полутора лет. Она начинается физикохимическим разрушением нефти, к которому постепенно подключается микробиологический фактор. Прежде всего разрушаются метановые углеводороды (алканы). Скорость процесса зависит от температуры почв Так, в эксперименте за год содержание этой фракции снизилось: в лесотундре на 34%, в средней тайге на 46%, в южной - на 55%. Параллельно снижению доли алканов в остаточной нефти увеличивается относительное содержание смолистых веществ. Вторая стадия деградации длится около 4-5 лет и характеризуется ведущей ролью микробиологических процессов. К началу третьей стадии разрушения нефти в ее составе накапливаются наиболее устойчивые высокомолекулярные соединения и полициклические структуры при абсолютном снижении содержания последних.

Первый этап рекультивации соответствует наиболее токсичной геохимической обстановке, максимальному ингибированию биоценозов. На этом этапе целесообразно проводить подготовительные мероприятия: аэрацию, увлажнение, локализацию загрязнения. Цель этих мероприятий - интенсификация микробиологических процессов, а также фотохимического и физического процессов разложения нефти, снижения ее концентрации в почве. На этом этапе оценивается глубина изменения почвенной экосистемы, направленность ее естественной эволюции. Длительность первого этапа в разных зонах различна, в средней полосе она равна примерно одному году.

На втором этапе на загрязненных участках проводится пробный посев культур с целью оценить остаточную фитотоксичность почв, интенсифицировать процессы биодеградации нефти, улучшить агрофизические сзойства почв. На этом этапе проводится регулирование водного режима и кислотно-щелочных условий почвы, проводятся, в случае необходимости, мероприятия по рассолению. На третьем этапе восстанавливаются естественные растительные биоценозы, создаются культурные фитоценозы, практикуется посев многолетних растений.

Общая длительность процесса рекультивации зависит от почвенно-климатических условий и характера загрязнения. Наиболее быстро этот процесс может быть завершен в степных, лесостепных, субтропических районах. В северных районах он будет продолжаться более длительное время. Ориентировочно весь период рекультивации в разных природных зонах занимает от 2 до 5 лет и более.

Особого рассмотрения заслуживает вопрос о внесении в почву различных мелиорантов, в частности минеральных и органических удобрений, для ускорения процессов разложения нефти. Необходимость таких мероприятий пока экспериментально не доказана.

В работе (McGill, 1977) обсуждается вопрос о конкуренции между микроорганизмами и растениями за азот в нефтезагрязненной почве. Ряд авторов предлагают вносить в почвы азотные и другие минеральные удобрения в сочетании с различными добавками: (известью, поверхностно-активными веществами и т.д.), а также органические удобрения (например, навоз). Внесение этих удобрений и добавок призвано усилить деятельность микроорганизмов и ускорить разложение нефти. Эти мероприятия давали в ряде случаев положительные результаты, в основном в первый год после их применения. При этом не всегда учитывались более отдаленные эффекты - ухудшение состояния почв и растений в последующие годы. Например, опыты, проведенные в Пермском Прикамье, с внесением в загрязненную почву минеральных удобрений и извести показали, что через два года после загрязнения на “удобренной” почве растения развивались не лучше, а местами даже хуже, чем на почве с таким же загрязнением, но не содержащей мелиорантов.

Таким образом, необходимы многолетние исследования с разными типами почв и нефтей, соотнесенные с определенными природными условиями. Пока же можно рекомендовать внесение мелиорантов лишь на третьем, заключительном, этапе рекультивации после тщательного химического исследования почв.

Все эти вопросы трудно решить чисто эмпирическим путем, так как число вариантов опытов оказывается практически бесконечным. Необходимы комплексные фундаментальные исследования в области биогеохимии и экологии загрязненных почв с целью разработки теории процесса и научных рекомендаций на ее основе.

На основании проведенных экспериментальных исследований можно сделать следующие выводы по условиям трансформации и рекультивации нефти в почвах разных природных зон.

Светлые серо-коричневые почвы сухих субтропиков Азербайджана. Условия трансформации углеводородов характеризуются превышением испаряемости над увлажнением, малым горизонтальным водным стоком, повышенной микробиологической и ферментативной активностью почв. Наиболее интенсивные процессы трансформации нефти идут в первые месяцы после загрязнения, затем они замедляются в несколько раз. Через год количество остаточной нефти составляло 30% от первоначального количества, через четыре года - 23%. Примерно 30% нефти, содержащей много тяжелых фракций, минерализуется или испаряется. Остальная часть преобразуется в малорастворимые продукты метаболизма, которые остаются в гумусовом горизонте почв, мешая восстановлению их плодородия. Наиболее эффективный способ рекультивации - усиление функциональной активности микроорганизмов путем увлажнения, аэрации, внесения ферментов, фитомелиорации.

Подзолисто-желтоземные и иловато-глеевые почвы влажных субтропиков. Самоочищение почв от нефти происходит в условиях интенсивного поверхностного водного стока, высокой микробиологической активности почв. Естественное очищение и восстановление растительности происходит в течение нескольких месяцев.

Подзолистые и дерново-подзолистые почвы лесо-таежной области Западной Сибири и Приуралья. Самоочищение почв и трансформация нефти проходят в условиях повышенного увлажнения, что способствует горизонтальному и вертикальному рассеиванию нефти в первый период после загрязнения. За счет водного рассеяния в течение первого года с территории загрязнения может быть удалено и перераспределиться в окружающем пространстве до 70% внесенной нефти. Микробиологическая и ферментативная активность почв ниже, чем в южных районах. В течение года в продукты микробиологического метаболизма превращается примерно 10-15% первоначально внесенной нефти. Наиболее эффективные способы защиты и рекультивации - предотвращение разлива нефти с помощью искусственных и естественных сорбентов, естественное выветривание на первой стадии с последующей фитомелиорацией. Ллительность восстановления почв не менее 4-5 лет.

Тундрово-глеевые почвы лесотундровой области. Процессы биодеградации нефти идут с очень малой скоростью. Самоочищение почв происходит в основном за счет механического рассеяния. Эффективные способы рекультивации неясны.