Введение к работе
Актуальность проблемы. Газовая промышленность является одной из основных отраслей, определяющих высокие темпы развития народного хозяйства. В период 1970-1990 гг. в Прикаспийском регионе, отличающемся маловодностью, открыты и введены в разработку супергигантские высокосернистые нефтегазо-конденсатные месторождения (НГКМ), в том числе Оренбургское, Астраханское, Карачаганакское и Тенгизское.
При их эксплуатации выявился комплекс природоохранных и гигиенических проблем, связанных с защитой гидросферы от загрязнения высококонцентрированными промышленными сточными водами, рациональным использованием водегых ресурсов, созданием систем замкнутого водоснабжения предприятий (Новиков, 1992).
Широко распространенный биохимический метод очистки промышленных сточных вод активным илом с традиционными элементами глубокой доочистки оправдал себя при обезвреживании хозбытовых или промышленных сточных вод. имеющих относительно стабильный состав и невысокие концентрации загрязнений. В связи с этим_актуачьными являются исследования, направленные на селекцию и изучение свойств микроорганизмов -деструкторов ксенобиотиков с последующей разработкой на их основе биотехнологии очистки промышленных сточных вод. Микробные биотехнологии рассматриваются нами, во-первых, как процессы, необходимые для локальной очистки высококонцентрированных промстоков; во-вторых, в качестве ресурса специализированных микробных биоценозов, которые, при необходимости, можно использовать в промысловой практике для решения проблем компонентоотдачи пластов.
К моменту выполнения настоящей работы подобных исследований в отношении объектов и предприятий газохимических комплексов Прикаспия не проводилось.
Диссертация выполнена в соответствии с программой ГКНТ СССР 0.04.05, общесоюзной программой ГКНТ СССР 0.48 "Охрана природы", Комплексной программой научно-технического прогресса стран - членов СЭВ до 2000 г., координационным планом АН СССР по комплексной проблеме "Микробиология", отраслевыми и институтскими программами.
Цель исследования. Формирование и разработка нового научного направления по гигиеническому обоснованию микробной деструкции органических соединений, а также решение важной народно-хозяйственной задачи по созданию и внедрению биотехнологии очистки и глубокой доочистки от ксенобиотиков промышленных сточных вод предприятий газохимических комплексов.
/
Задачи исследования.
-
Обосновать источники формирования и химический состав промышленных сточных вод объектов НГКМ в аспекте их эколого-гигиенической опасности.
-
Изучить токсичные и мутагенные свойства ксенобиотиков сточных вод по отношению к тест-объектам и биоценозу активного ила.
3. Получить путем селекции активных деструкторов метанола, моно-,
диэтиленгликоля, диэтаноламина, метилдиэтаноламина в виде индивидуальных
птаммов и сообществ микроорганизмов.
-
Исследовать деструктивную активность свободных и иммобилизовавшых клеток.
-
Разработать технологическую схему и аппаратурное оформление лабораторной, опытной, опытно-промышленной и промышленной установок и исследовать эффективность анаэробно-аэробной микробной очистки сточных вод газоперерабатывающего завода.
-
Провести исследования и разработать биотехнологию глубокой доочистки сточных вод ГПЗ. . .
-
Провести исследования и разработать биотехнологию повышения компо-нентоотдачи продуктивных пластов НГКМ на основе применения продуктов и отходов биотехнологий очистки сточных вод.
-
Внедрить по результатампромысовых и опытных работ комплекс экологических биотехнологий на объектах Оренбургского, Астраханского и Тенгиз-ского НГКМ.
-
Разработать эколого-гигиеническую концепцию применения биотехнологий в общей системе разработки и эксплуатации высокосеркистых НГКМ Прикаспия.
Научная новизна. Исследование химического состава высококонцентрированных сточных вод газоперерабатывающих предприятий и опыты по селекцю микроорганизмов-деструкторов позволили впервые показать возможность v гигиеническую целесообразность биологической очистки этих вод. Выделень высокоактивные штаммы культур - деструкторов этиленгликоля, диэтаноламина метанола и ассоциации бактерий, утилизирующих этиленгликоль и диэтанала' мин, установлены некоторые симбиотические отношения ассоциатов.
Показано, что дегидрогеназная активность иммобилизованных деструкторої превышает активность свободных, изучены изоферментные спектры дегидрогена: этиленгликоля. В периодическом режиме исследован процесс иммобилизацш клеток в биореакторе и предложен критерий их иммобилизации, основанный ні
тенденции к повторному увеличению выхода биомассы свободноплавающих клеток.что свидетельствует о насыщении носителей биомассой микроорганизмов. Предложены способы микробной очистки сточных вод газоперерабатывающих заводов от метанола, этиленгликолей и аминоспиртов, защищенные авторскими свидетельствами СССР и зарубежными патентами.
Рассмотрены и обоснованы варианты применения свободноплавающих и иммобилизованных микроорганизмов-деструкторов для очистки сточных вод от низкомолекулярных органических соединений.
Установлены особенности формирования пространственной сукцессии микроорганизмов и трофической цепи гидробионтов в многосекционном анаэробно-аэробном биореакторе. Впервые показано, что тест-организмом на присутствие в сточных водах этиленгликоля и диэтаноламина является равноресничная инфузория рода Colpoda.
Впервые обнаружено, что процессы анаэробной сульфагредукции и последующей аэробной минерализации взвеси активного ила, задержанной при фильтровании биологически очищенных сточных вод через слой, дробленой серы, протекают значительно интенсивнее, чем на фильтрах-, загруженных другими инертными материалами. Исследованы процессы микробной регенерации сгрной загрузки без промывки фильтра водой. Установлена зависимость эффективности биологической регенерации активного угля после доочистки сточных вод от его пористой структуры и разработана на основе этих исследований рациональная технология микробно-адсорбционной доочистки таких вод с биологической регенерацией адсорбента.
Впервые разработаны научные представления о целесообразности использования анаэробных сообществ, очищающих сточные воды, для создания микробиологического метода повышения компонентоотдачи продуктивных пластов. На основе полученных результатов впервые дано обоснование процессов биогенного восстановления твердых сульфатов геологических пород с использованием метанола в качестве субстрата анаэробных микроорганизмов.
Совокупность полученных данных представляет собой существенный и принципиально новый вклад в гигиеническое обоснование применения экологических микробных биотехнологжї в системе природоохранных мероприятий при добыче.промысловой подготовке и переработке высокосернистого углеводородного сырья.
Практическая ценность работы. Создана коллекция штаммов - деструкторов метанола, этиленгликоля и диэтаноламина для практической микробной очистки промстоков. В агашрате интенсивного массообмена установки БВК опытного завода "Маема" (г. Доогобыч, Украина) проведены опытно-промышлен-
ные испытания метода микробной очистки от метанола газопромысловых сточных вод с использованием дрожжей Hausenula polymorpha и бактерий Methylomonas methanica.
В результате достигнута высокая эффективность (99,0-99,5%) очистки стоков от метанола и наработана опытная партия дрожжевой (52 кг АСВ) и бактериальной (500 кг АСВ) биомассы, содержащей более 60% общего белка, проведены успешные зоотехнические испытания данных препаратов БВК.
В промышленных условиях осуществлена оценка состояния активного ила по четырем категориям качества, послужившая .основой для составления рекомендаций по использованию гидробиологических показателей в производственном контроле очистки воды на Оренбургском, Астраханском и Тенгизском ГПЗ. Разработанный способ оценки состояния активного ила включен в регламент контроля на очистных сооружениях Оренбургского ГПЗ и ПО "Салаватнефтеор-гсинтез". Предложенный биохимический принцип регуляции подачи загрязнений в аэротенк, основанный на определении дегидрогеназной активности ила, позволил увеличить окислительную мощность промышленных сооружений в 1,2-1,6 раза, сократить время аэрации,' увеличить дозу ила с улучшением очистки в целом на биологических очистных сооружениях Оренбургского ГПЗ.
Процесс микробной очистки сточных вод газоперерабатывающего"завода от этиленгликоля.'диэтаноламина и метанола прошел испытания в 1985-86 гг. на опытной установке производительностью 0,1 мЗ/сут, а в 1987-91 гг. и на опытно-промышленной установке производительностью 18 мЗ/сут. Очищенная вода пс физико-химическим показателям не уступает условно чистым промстокам v может в общем потоке с ними подвергаться дальнейшей очистке и использоваться в оборотной системе водоснабжения газзавода. Причем, установлено, что смешение очищенной воды с условно чистыми промстоками обогащает активный ш существующих биологических сооружений микроорганизмами, утилизирующимі основные загрязнители сточных вод газоперерабатывающих заводов, и способ ствует улучшению состояния активного ила.
Разработан и испытан в промышленных условиях способ биорегенерацю зернистого серного фильтра, позволяющий увеличить длительность фильтроцик ла, снизить практически до нуля расход воды на промывку и исключить ішіамовьк сбросы. Использование разработанного процесса биорегенерации активного утл в опытно-промышленных установках адсорбционной доочистки БОСВ ПГ позволяет в 4 раза увеличить рабочий период адсорбционного фильтра. За сче этого снижена величина энергозатрат на восстановление адсорбционной актив ности угля и сокращены необратимые потери адсорбента в многоцикловом
процессе.
В реальных промысловых условиях Оренбургского ГКМ впервые проведены биообработки 7 скважин различными объемами и вариантами биосоставов на основе продуктов биотехнологии очистки воды. Во всех случаях были достигнуты: увеличение концентрации сероводорода (до 50%) и метана (до 1%) от их первоначального уровня в газовой фазе, рост статического устьевого давления, изменения фильтрационных свойств пласта, достоверное увеличение дебита скважины по газу и конденсату с одновременной внутрипластовой очисткой воды от метанола.
Внедрение результатов. Результаты проведенных исследований использованы при составлении и разработке следующей научно-технической и проектной документации: "Обосновывающие материалы проектироваїпи бессточного водоснабжения предприятий ВПО "Оренбурггазпром" (Оренбург, 1984); "Технологический регламент на проектирование опытно-промышленной установки локальной микробиологической очистки сточных вод от диэтаноламина.этиленгликоля и метанола" (Оренбург, 1985); "Технологический регламент на проектирование опытно-промышленной установки доочистки сточных вод Астраханского ГПЗ" (Оренбург, 1983); "Технический проект опытно-промышленных испытаний мик-робиологичзского процесса повышения нефтегазоотдачи" (Оренбург,198б); "Рабочий проект опытно-промышленной установки локальной микробиологической очистки промстоков" (Орекбург,1986);"Обустройство Тенгизского нефтяного месторождения (1 очередь,опьггно-промышленная эксплуатация),корректировка т.1,кн.2,ч.Ш. Охрана гидросферы и почв" (Оренбург, 1987); рабочий проект "Опытнопромышленная установка глубокой доочистки сточных вод" 1032-01 ГПИ "Харьковский сантехпррект" (Харьков, 1987); рабочий проект "Опытная установка микробиологической очистки аминовых стоков. Обустройство Тенгизского нефтяного месторождения, объекты ЦПС" 47-1232-03-62/30ВК п.З. ВНИ-ПИГазпереработка (Краснодар, 1988); "Временный технологический регламент на эксплуатацию установки интенсивной биологической очистки сточных вод 1У очереди Оренбургского ГПЗ" (Оренбург, 1990); проектноконструкторская документация "Устройство микробной очистки сточных вод УМОС".-2.00.00.000.ПС (Краснодар,1989); "Рекомендации по применению продуктов и отходов биотехнологии очистки сточных вод для повышения компонентоотдачи сероводородсо-держащих нефтегазоконденсатных пластов" (Оренбург,1990).
По указанным проектам построены и при непосредственном участии автора пущены в эксплуатацию следующие установки: опытно-промышленная установка "Биод" глубокой доочистки БОСВ Оренбургского ГПЗ производительностью 50 мЗ/сут (1984); опытно-промышленная установка "Трофактор" микробной
очистки химзафязненных промстоков Оренбургского ГПЗ производительностью 18 мЗ/сут (1987) и производительностью 250 мЗ/сут (1989); промышленная установка "Трофактор" микробной очистки промстоков Оренбургского ГПЗ производительностью 1400 мЗ/сут (1990); промышленная установка "Биод" биохимдоочистки промстоков Оренбургского ГПЗ производительностью 1400 мЗ/ сут (1991); промышленная установка "Трофактор" микробной очистки диэтаноламинсодержащих сточных вод Тенгизского ГПЗ (1991); два блок-бокса "Трофактор" микробной очистки сточных вод по 250 мЗ/сут каждый (1993).
Годовой экономический эффект (в ценах 1984 г.) от внедрения разработанной технологии доочистки 'сточных вод при проектировании Астраханского ГПЗ составил 1766 тыс.руб.;опытно-промышленной установки"Трофактор" микробной очистки химзагрязненных стоков Оренбургского ГПЗ -166,3 тыс.руб.
Апробация работы. Результаты исследований доложены на: II Всесоюзн.конференции"Микробиологические методы борьбы с загрязнением окружающей среды" (Пущино, 1979); Всесоюзн.симпозиуме "Аналитика воды-82" (Одесса,1982); 1 Всесоюзн.конференции "Микробиология очистки воды" (Киев, 1982); Всесоюзн.симпозиуме "Химический мутагенез в селекции технических культур" (Москва,1982); Всесоюзн.симпозиуме "Обобщенные показатели качества вод-83. Практические вопросы биотестирования" (Черноголовка,1983); УП съезде Всесоюзн.микробиологического общества (Алма-Ата, 1985); Всесоюзн.конференции "Биоценоз в природе и промышленных условиях". (Пущи-но,1985); Всесоюзн.конференции "Иммобилизованные клетки" (Пущино, 1985); Всесоюзн.семинаре "Микробиология охраны биосферы", ИКХХВ АН УССР (Киев,1986); Всесоюзн.конференции "Микробиологические методы защиты окружающей среды" (Пущино, 1988); Всесоюзн.симпозиуме "Биотехнологические и химические методы охраны окружающей среды" (Самарканд, 1988);региональном совещании гидробиологов Урала "Водные экосистемы Урала, их охрана и рациональное использование" (Свердловск, 1988); ХП Международн-конференции по геохимическим проблемам разведки и добычи нефти и газа"Петролгеохим" (Сольнок, Венгрия, 1988); Международн-конгрессе "Бактериология и микология" Интернационального союза микробиологических обществ (Осака^пония, 1990); У1 съезде Всесоюзн. гидробиологического общества (Мурманск, 1991); Международн.симпозиуме "Проблемы токсикологии и прикладной экологии" (Москва-Пермь, 1991); Всесоюзн.симпозиуме "Микробиология охраны биосферы в регионах Урала и Северного Прикаспия"(Оренбург,1991); Международн.симпозиуме "Экология промышленных городов"(Одесса,1991);на ряде научно-технических совещаний в Мингазпроме, Миннефтегазпроме СССР
и Госкомприроде России. Доклад по материалам диссертации включен в пленарную программу Международной конференции Ассоциации инженеров-нефтяников и буровых подрядчиков (Новый Орлеан, США, 1992).
Материалы диссертации в составе экспоната "Новая технология глубокой очистки сточных вод и разработка системы замкнутого водоснабжения предприятий по переработке сернистых природных газов" были представлены в 1983-84 гг. на межотраслевой выставке "Очистка сточных вод и газовых выбросов в атмосферу" и отмечены серебряной и двумя бронзовыми медалями ВДНХ СССР. В 1985 г. экспонат "Новая биотехнология очистки сточешх вод газохимических комплексов" был представлен'на Всемирной выставке достижений молодых изобретателен "Болгария-85" в Пловдиве и награжден золотой медалью и дипломом, а в составе экспозиции "Ученые Оренбуржья - народному хозяйству" в 1986 г. отмечен золотой золотой и бронзовой медалями ВДНХ СССР.
Публикации. Основные материалы диссертации опубликованы в 115 печатных работах, в том числе: 6 обзорах, 19 журнальных статьях, 31 авторском свидетельстве СССР, 3 патентах Франции, 2 патентах Италии, 3 патентах Великобритании, 3 патентах Индии, 2 патентах Австрии, 1 патенте Германии.
Большинство экспериментальных данных, представленных в работе, получено диссертантом в соавторстве с группой сотрудников лаборатории биотехнологических методов охраны окружающей среды ВолгоУралНИПИгаз и НПП "Экобиос", работавших под научным руководством автора.