Содержание к диссертации
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 5
ВВЕДЕНИЕ 6
ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
ЬНефтешламы 10
1.1. Состав нефтешламов 10
2. Биоремедиация 13
2.1. Факторы, влияющие на эффективность биоремедиации. 13
Микроорганизмы и биоремедиация 14
Удобрения 15
Физическая структура шлама 19
Токсичность 20
2.2. Стадии биоремедиации и проблема остаточных 22
концентраций
2.2.1. Биодеградация асфальтенов и изменение их содержания в 25
ходе биоремедиации
2.3. Биоремедиационные аспекты 26
Биоаугментация 26
Компостирование 26
Ландфарминг 27
Фиторемедиация 27 2.3.4.1 Влияние ризосферы на микроорганизмы 29 2.3.4.2. Роль бактерий в фиторемедиации 31 2.3.4.3.Эффективность фиторемедиации органических 32 загрязнений
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 35
Первый этап фиторемедиации (предобработка сырого 35 нефтешлама с привлечением растительной морт-массы)
Климатические условия в зоне проведения предобработки 36
Скрининг токсикорезистентных растений на 36 предобработанном нефтешламе
Условия проведения лабораторных экспериментов 37
Экспресс-оценка потенциала обезвреживания нефтешлама 38 растением-фитомелиорантом после первого этапа
фиторемедиации
Второй этап фиторемедиации (моделирование 39 фиторемедиации в 12-месячном лабораторном эксперименте)
Биологические методы анализов 40
Микробиологические методы анализа 40
Базальное дыхание 41
Химические методы анализов 41
Токсикологические методы 43
10. Статистическая обработка результатов 45
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Первый этап фиторемедиации (предобработка сырого 47 нефтешлама с привлечением растительной морт-массы)
Скрининг токсикорезистентных растений после первого этапа 53 фиторемедиации нефтешлама
Экспресс-оценка потенциала обезвреживания нефтешлама с 56 использованием растения-фитомелиоранта после первого этапа фиторемедиации
Второй этап фиторемедиации (моделирование 62 фиторемедиационного процесса в 12-месячном лабораторном эксперименте)
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ 84
ВЫВОДЫ 97
ЛИТЕРАТУРА 99
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ
ISO - международная организация стандартов (International Standard
Organization)
КОЕ - колониеобразующие единицы
МПА - мясо-пептонный агар
НКНХ - открытое акционерное общество «Нижнекамскнефтехим»
НШ - нефтешлам
ПАУ - полициклические ароматические углеводороды
П - почва
ПЛ - плевел
Сорг - органический углерод
УД - удобрения
Введение к работе
Актуальность проблемы. Деятельность нефтехимического комплекса Республики Татарстан сопровождается образованием твердых отходов (нефтешламов), содержащих остаточную нефть, целевые и побочные продукты нефтехимического синтеза. Эти твердые отходы складируются в специальных резервуарах - шламонакопителях, эксплуатация и переполнение которых экологически опасны.
Согласно Государственному докладу "О состоянии природных ресурсов и об охране окружающей среды в Республике Татарстан в 2005 году", на территории Республики продолжаются процессы деградации земель. В результате загрязнения нефтью и нефтепродуктами ежегодно выводится из оборота около 200 Га продуктивных земель, снижается их биологическая активность, возникают или усиливаются эрозионные процессы. Традиционные технологии детоксикации и рекультивации нефтезагрязненных почв и шламов неэффективны. Ввиду отсутствия приемлемой технологии восстановления загрязненных территорий вторичное введение их в оборот не представляется возможным (Государственный доклад ..., 2006).
Практика депонирования нефтешламов в специальных накопителях до сих пор остается наиболее распространенной во многих странах. Строительство новых депо не представляется возможным в связи с ужесточением требований по защите окружающей среды. Каждое предприятие имеет свой лимит накопления твердых углеводород-содержащих отходов, превышение которого 25-кратно увеличивает санкции за их хранения (Изменение..., 2005). В результате многолетнего накопления осадков сточных вод нефтехимических предприятий Татарстана лимит их накопления почти полностью исчерпан, поэтому в настоящее время ведется
активный поиск новых эффективных и дешевых технологий для решения проблемы обезвреживания и утилизации нефтешламов.
Физико-химические методы обработки нефтесодержащих отходов являются дорогостоящими и сопряжены с образованием вторичных отходов в виде постэкстракционных и постсорбционных осадков, и, в случае сжигания, высокотоксичных продуктов неполного сгорания, захоронение которых представляет дополнительную проблему. В свою очередь, биологические методы обезвреживания и переработки (биоремедиация) нефтесодержащих объектов признаны наиболее дешевыми и достаточно эффективными. В последние годы развивается новый биоремедиационный подход, использующий объединенный метаболический потенциал микроорганизмов и растений - фиторемедиация.
Мировая научная и патентная литература по биоремедиации нефтесодержащих объектов рассматривает, в основном, почвы, загрязненные относительно небольшим количеством углеводородов. В свою очередь, данных, относящихся непосредственно к нефтехимическим шламам, обладающим несопоставимо более высоким уровнем и токсичности, и углеводородного загрязнения, крайне мало. Имеются лишь отдельные сведения, указывающие на возможность их обезвреживания путем компостирования (Никитина с соавт., 2006) и ландфармингом (землеванием) (Morelli et al., 2005).
Анализ данных литературы, а также опыта исследований кафедры микробиологии КГУ в области экологической биотехнологии позволяет заключить, что прогноз эффективности той или иной стратегии биоремедиации в решающей мере зависит от разностороннего обоснования ключевых параметров создаваемой технологической схемы, как на уровне ее лабораторного моделирования, так и практической апробации.
Цель данной работы - разностороннее обоснование возможности и эффективности обезвреживания и переработки твердых отходов нефтехимии (нефтешламов) с использованием биотехнологии на основе микробно-растительных взаимодействий.
В работе решались следующие задачи:
Охарактеризовать сырой нефтешлам с точки зрения возможности его фиторемедиации;
Оценить возможность предварительной детоксикации сырого нефтешлама и изменения его исходного загрязнения и физических свойств до уровня, совместимого с ростом растений;
Обосновать выбор токсико-толерантных растений потенциальных фитомелиорантов нефтешлама;
Осуществить экспресс-тестирование потенциала фиторемедиации нефтешлама в краткосрочном эксперименте;
Разработать технологическую схему управления процессом фиторемедиации путем корректировки соотношения биогенных элементов, комбинации нефтешлама с почвой и оптимизации газо- и водообменных процессов;
Охарактеризовать эффективность разработанной технологической схемы ремедиации нефтешлама с позиции ключевых параметров процесса: суммарного органического загрязнения и его фракций, токсичности (по совокупности тестов разного уровня), по динамике численности и респираторной активности микрофлоры.
Научная новизна. Впервые научно обоснована, разработана и апробирована технологическая схема фиторемедиации твердых нефтехимических отходов с использованием растительной фитомассы и объединенного метаболического потенциала микроорганизмов и растений. Разработана система направленной регуляции фиторемедиационного процесса, включающая использование почвы и морт-массы растений в качестве структурирующих агентов, минерального азота для корректировки соотношения биогенных элементов. Эффективность фиторемедиации оценена с привлечением химического и токсико-биологического мониторинга. Скрининг токсико-резистентных растений осуществлен при экстремально высоком содержании углеводородного загрязнения.
Практическая значимость. Применение испытанной в опытно-полевых и лабораторных условиях технологической схемы позволило уменьшить в среднем на 90% содержание остаточных нефтяных углеводородов, целевых и побочных продуктов нефтехимического синтеза, с одновременной элиминацией токсического действия компонентов нефтешлама на зоо- и растительные тест-организмы. Результаты данной работы положены в основу запланированных на 2007-2008гг опытно-промышленных испытаний фиторемедиации нефтешлама ОАО «Нижнекамскнефтехим».
ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ