Методы восстановления нефтезагрязненных почвенных экосистем

Реферат

 

Дипломная работа 47 страниц, 2 рисунка, 3 таблицы, 50 источников.

НЕФТЬ, НЕФТЕПРОДУКТЫ, ПОЧВА, НЕФТЯНОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ, РЕКУЛЬТИВАЦИЯ, БИОРЕМЕДИАЦИЯ, МИКРООРГАНИЗМЫ, ДОЖДЕВЫЕ ЧЕРВИ

Дипломная работа посвящена  рассмотрению способов рекультивации нефтезагрязненных почв и грунтов с упором на подходы биоремедиации.

Цель работы - рассмотрение методов и способов обезвреживания нефтезагрязненных субстратов.

Первая глава работы посвящена проблеме нефтяного загрязнения, где особое внимание уделено почвам, загрязненным нефтью и нефтепродуктами. Во второй главе рассмотрены методы оценки нефтяного загрязнения почв. Методы восстановления нефтезагрязненных почвенных экосистем рассмотрены в третьей главе. В ней показаны основные методы рекультивации нефтезагрязненных почв, особое внимание уделяется биоремедиации и исследованию по трансформации нефти в почве микробиологическим препаратом и дождевыми червями.

 

 

Содержание

 

Введение

1. Влияние нефти и нефтепродуктов на окружающую природную среду

1.1 Компоненты нефти  и их действие

1.2 Нефтяное загрязнение  почв

1.2.1 Механические нарушения  почвенного покрова

1.2.2 Химическое загрязнение  почв

1.2.3 Влияние нефтяного  загрязнения на микробиологические процессы в почве

2. Методы оценки нефтяного загрязнения почв

2.1 Нормирование загрязнения почв нефтью и нефтепродуктами

2.2 Методы контроля

2.3 Методы биоиндикации  и биотестирования почв

3. Методы восстановления нефтезагрязненных почвенных экосистем

3.1 Классификация методов  рекультивации почв, загрязненных  нефтью и нефтепродуктами

3.2 Основные подходы  и роль биоремедиации в восстановлении  нефтезагрязненных почв

3.3 Микроорганизмы-деструкторы  нефти и нефтепродуктов

3.4 Трансформация нефти  в почве микробиологическим препаратом  и дождевыми червями

3.5 Методы рекультивации  основанные на интенсификации процессов самоочищения

Заключение

Список использованных источников

 

 

Введение

 

Нефть является одним  из основных факторов мирового экономического развития в 20 веке и остается важнейшим  энергоресурсом на обозримое будущее. Относительно невысокие цены на нефть и нефтепродукты при больших объемах их потребления, отсутствие адекватной создаваемой угрозе политики по охране окружающей среды приводили к весьма значительным потерям, последствиями которых явились загрязнения почв и грунтов.

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.

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. Особое внимание уделяется исследованиям по совместному влиянию представителей двух смежных трофических уровней: микроорганизмов и дождевых червей на элиминирование нефти в почве.

Целью дипломной работы является рассмотрение методов и способов обезвреживания нефтезагрязненных субстратов.

 

1. Влияние нефти и нефтепродуктов на окружающую природную среду

 

Нефть, продукты ее переработки  и газоконденсаты оказывают отрицательное воздействие на воздух, воду и почву. Предприятия топливно-энергетического комплекса России, в том числе – по добыче и переработке нефти, не смотря на снижение объемов производства, остаются крупнейшим в промышленности источником загрязнителей окружающей среды. На их долю приходится около 48% выбросов вредных веществ в атмосферу, 27% сброса загрязненных сточных вод, свыше 30% твердых отходов и до 70% общего объема парниковых газов (Абросимов, 2002).

По величине прогнозных ресурсов нефти и газа Восточная Сибирь относится к числу потенциально наиболее благоприятных геологических объектов в материковой части России. Основные разведанные запасы нефти – 83% - сосредоточены в Верхнечонском, газа – 79% - в Ковыктинском месторождениях. Разведанные запасы углеводородов в Иркутской области, от их прогнозной оценки, составляют всего: по нефти – 10,7%, по газу – 18,6% (Государственный доклад…, 2004). В последние годы для обеспечения северных поселков нефтью в качестве котельного топлива, проводится опытно-промышленная эксплуатация ряда этих месторождений: Атовского газоконденсатного, Марковского, Ярактинского, Даниловского, Дулисминского нефтегазоконденсатных месторождений. Таким образом, для Иркутской области проблема нефтяного загрязнения окружающей среды является весьма актуальной.

Одна из серьезных  глобальных проблем – загрязнение почвенного покрова нефтью и нефтепродуктами. Решение проблемы очистки почвенного покрова от загрязнений нефтью, разработка новых и совершенствование существующих технологий восстановления нефтезагрязненных земель, относится к числу приоритетных. Эта проблема коснулась и Иркутской области. По состоянию на 01.01.2004 года в Иркутской области насчитывалось 27883 га нарушенных земель. Наибольшая доля нарушенных земель приходится на районы и города с интенсивной добычей полезных ископаемых. В 2003 году рекультивировано 1850 гектаров нарушенных земель, что почти в 3 раза больше, чем в предыдущем (Государственный доклад…, 2004).

Экологические проблемы начинаются уже на стадии добычи нефтяного сырья и его поставки на предприятия. Наиболее характерными загрязнителями окружающей среды являются углеводороды (44,9% от суммарного выброса), оксид углерода (47,4%) и различные твердые вещества (4,3%). Не менее острые проблемы возникают при транспортировке нефти на нефтеперерабатывающие предприятия. Нефть транспортируется по трубопроводам, подверженным коррозии, отложениям смол и парафинов внутри труб. Ежегодно происходит более 60 крупных аварий и около 20 тыс. случаев, сопровождающихся значительными разливами нефти, попаданием ее в водоемы, гибелью людей, большими материальными потерями (Абросимов, 2002).

 

1.1 Компоненты нефти и их действие

 

Нефть (тур. neft, от перс. нефт), горючая маслянистая жидкость, распространенная в осадочной оболочке Земли; важнейшее полезное ископаемое. Сложная смесь алканов, некоторых циклоалканов и аренов, а также кислородных, сернистых и азотистых соединений (Советский …, 1981).

Химический состав нефти  зависит от района добычи и в среднем определяется следующими данными: углерод (83-87%), водород (12-14%), азот, сера, кислород (1-2%, реже 3-6% за счет серы). Десятые и сотые доли процента составляют многочисленные микроэлементы, набор которых в любой нефти примерно одинаков.

К нефтепродуктам обычно относят различные углеводородные фракции, получаемые из нефтей. Основные компоненты нефтепродуктов – углеводороды. Наряду с углеводородами в нефтепродуктах, как и в нефтях, также содержатся соединения серы, азота и кислорода.

При нефтяном загрязнении  тесно взаимодействуют три группы экологических факторов: 1) уникальная многокомпонентность состава нефти, находящегося в процессе постоянного изменения; 2) гетерогенность состава и структуры любой экосистемы, находящейся в процессе постоянного развития; 3) многообразие и изменчивость внешних факторов, под воздействием которых находится экосистема: температура, давление, влажность, состояние атмосферы, гидросферы и т. д. (Восстановление…, 1988).

Вполне очевидно, что  оценивать последствия загрязнения  экосистемы нефтью и намечать пути ликвидации этих последствий необходимо с учетом конкретного сочетания этих трех групп факторов.

В качестве эколого-геохимических  характеристик основного состава  нефти приняты содержание легкой фракции (начало кипения 200 °С), метановых  углеводородов (включая твердые парафины), циклических углеводородов, смол и асфальтенов, сернистых соединений (Восстановление…, 1988).

Легкая фракция нефти, куда входят наиболее простые по строению низкомолекулярные метановые (алканы), нафтеновые (циклопарафины) и ароматические углеводороды – наиболее подвижная часть нефти.

Большую часть легкой фракции составляют метановые углеводороды с числом углеводородных атомов от 5 до 11 (пектан, гексан, гептан, октан, нонан, декан, ундекан). Нормальные (неразветвленные) алканы составляют в этой фракции 50-70%.

Метановые углеводороды легкой фракции, находясь в почвах, оказывают наркотическое и токсическое  действие на живые организмы. Особенно быстро действуют нормальные алканы с короткой углеводородной цепью, содержащиеся в основном в легких фракциях нефти. Эти углеводороды лучше растворимы в воде, легко проникают в клетки организмов через мембраны, дезорганизуют цитоплазменные мембраны организма. Нормальные алканы, содержащие в цепочке менее 9 атомов углерода, большинством микроорганизмов не ассимилируются, хотя могут быть окислены. Их токсичность ослабляется в присутствии нетоксичного углеводорода, который уменьшает общую растворимость алканов (Гриценко и др., 1997).

Многие исследователи  отмечают сильное токсическое действие легкой фракции на микробные сообщества и почвенных животных. Легкая фракция, мигрируя по почвенному профилю и водоносным горизонтам, расширяет, иногда значительно, ореол первоначального загрязнения. На поверхности эта фракция в первую очередь подвергается физико-химическим процессам разложения, входящие в ее состав углеводороды наиболее быстро перерабатываются микроорганизмами (Восстановление…, 1988).

С содержанием легкой фракции коррелируют другие характеристики нефти: углеводородный состав, количество смол и асфальтенов. С уменьшением содержания легкой фракции ее токсичность снижается, но возрастает токсичность ароматических соединений, относительное содержание которых растет.

Значительная часть  легкой фракции нефти разлагается  и улетучивается еще на поверхности  почвы или смывается водными потоками. Путем испарения из почвы удаляется от 20 до 40% легкой фракции (Восстановление…, 1988).

В нефтях, богатых легкой фракцией, существенную роль играют более  высокомолекулярные метановые углеводороды (С12 – С27), состоящие из нормальных алканов и изоалканов. Метановые углеводороды во фракции, кипящей выше 200 ºС, практически нерастворимы в воде. Их токсичность выражена гораздо слабее, чем у более низкомолекулярных структур.

Содержание твердых  метановых углеводородов (парафина) в нефти (от очень малых количеств до 15-20%) – важная характеристика при изучении нефтяных разливов на почвах. Твердый парафин не токсичен для живых организмов, но вследствие высоких температур застывания (+18 ºС и выше) и растворимости нефти (+40 ºС) в условиях земной поверхности он переходит в твердое состояние, лишая нефть подвижности. Твердые парафины, выделенные из нефти и очищенные, с успехом применяются в медицине (Восстановление…, 1988).

Твердый парафин очень  трудно разрушается, с трудом окисляется на воздухе. Он надолго может «запечатать» все поры почвенного покрова, лишив почву свободного влагообмена и «дыхания». Это, в свою очередь, приводит к полной деградации биоценоза.

К циклическим углеводородам  в составе нефти относятся  нафтеновые (циклоалканы) и ароматические (арены).

Циклоалканы – это  кольца из радикалов СН2 , с насыщенными  связями. Часто в одном или  нескольких радикалах вместо одного атома водорода присоединена цепочка  алкана разной длины. Общее содержание нафтеновых углеводородов в нефти  изменяется от 35 до 60%, в некоторых случаях составляя меньше или больше приведенных крайних значений (Петров, 1984).

О токсичности нафтеновых углеводородов сведений почти не имеется. Циклические углеводороды с насыщенными связями окисляются очень трудно. Биодеградацию циклоалканов затрудняет их малая растворимость и отсутствие функциональных групп (Восстановление…, 1988).

Ароматические углеводороды – наиболее токсичные компоненты нефти. В концентрации всего 1% в воде они убивают все водные растения; нефть, содержащая 38% ароматических углеводородов, значительно угнетает рост высших растений. С увеличением ароматичности нефти увеличивается ее гербицидная активность. Содержание ароматических углеводородов в нефти изменяется от 5 до 55%, чаще всего от 20 до 40%. Основную массу ароматических структур составляют моноядерные углеводороды – гомологи бензола. Полициклические ароматические углеводороды, т. е. углеводороды, состоящие из двух и более ароматических колец, содержатся в нефти в количестве от 1 до 4% (Восстановление…, 1988).

Бензол и его гомологи оказывают более быстрое токсическое  действие на организм, чем полициклические  ароматические углеводороды (ПАУ). Последние действуют медленнее, но более длительное время, являясь хроническими токсикантами. Ароматические углеводороды трудно поддаются разрушению. Обычно они окисляются микроорганизмами (Шилина, 1985).

Смолы и асфальтены относятся  к высокомолекулярным неуглеводородным компонентам нефти. В составе  нефти они играют исключительно  важную роль, определяя во многом ее физические свойства и химическую активность. Структурный каркас смол и асфальтенов составляют высококонденсированные полициклические ароматические структуры, состоящие из десятков колец, соединенных между собой гетероатомными структурами, содержащими серу, кислород, азот. Смолы – вязкие мазеподобные вещества, асфальтены – твердые вещества, нерастворимые в низкомолекулярных углеводородах. Относительная молекулярная масса смол – 500-1200, асфальтенов – 1200-3000 (Панов и др., 1986).

По содержанию смол и асфальтенов нефти разделяются на малосмолистые (от 1-2 до 10% смол и асфальтенов), смолистые (10-20%), высокосмолистые (23-40%). Доля асфальтенов в смолисто-асфальтеновых веществах составляет: в малосмолис-той нефти -7-10, в смолистой – 15-26, высокосмолистой – 17-40% (Гриценко и др., 1997).