Очистка сточных вод

3 Биологические:

- фитомелиорация. Устранение остатков  нефтепродуктов путем высева  нефтестойких трав (клевер ползучий, щавель, осока), активизирующих почвенную  микрофлору; является окончательной  стадией рекультивации загрязненных  почв;

- биоремидиация. Применение нефтеразлагающих  бактерий; необходима запашка культуры  в почву, периодические подкормки  растворами удобрений; ограничения  по глубине обработке, температуре  почвы; процесс занимает 2-3 сезона [8].

В настоящее время рекультивация  нефтезагрязненных земель проводится, как правило, без достаточного научного обоснования. При сжигании нефтепродуктов, засыпке загрязненных участков грунтом, вывозе загрязненной почвы в отвалы, т.е. при ликвидации разливов нефтепродуктов 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 нефтепродуктов с  почвы, а процесс естественного  разложения их в почвах чрезвычайно  длителен, поэтому в настоящее  время наиболее приемлемыми являются биологические методы [9].

1.2 Достоинства и недостатки биологического метода очистки воды и почвы от нефтяных загрязнений

Главным преимуществом биологического метода очистки является его экологическая безопасность.

Основной недостаток большинства биологических методов очистки сточных вод заключается в необходимости удаления излишней биомассы, сложности поддержания популяции бактерий и сохранения их активности. Установки, использующие в своей работе активный ил, указанных недостатков не имеют [10].

К сожалению, и этот метод не лишен недостатков, главный из которых – сложность достижения равновесия между процессами расщепления примесей и сохранения постоянного количества биомассы бактерий. Без достижения такого равновесия вода не будет очищена. Поэтому работу реакторов контролируют, постоянно следя за состоянием активного ила.

Показано, что для биологической очистки нефтезагрязненных почв значительному ускорению разложения нефтепродуктов в лабораторных опытах и in situ способствует применение штаммов нефтеразрушающих микроорганизмов. Однако их рост лимитируется недостатком кислорода, азота и фосфора, что требует периодического внесения извне составов, содержащих названные биогены, а также стимуляторов роста микроорганизмов, что усложняет технологию очистки от нефтяного загрязнения и значительно удорожает ее [11].

К недостаткам также следует отнести высокие капитальные затраты, необходимость строгого соблюдения технологического режима очистки, токсичное действие на микроорганизмы некоторых органических соединений и необходимость дополнительных мер очистки в случае высокой концентрации примесей.

Известны также методы, направленные на активизацию жизнедеятельности естественной почвенной микрофлоры, однако они трудоемки и связаны с большими материальными затратами [12].

Большинство известных схем рекультивации включает, как правило, следующие основные этапы:

- снятие верхнего загрязненного слоя с вывозом за пределы зоны рекультивации с последующим складированием и обезвреживанием;

- доставка и нанесение вместо удаленного загрязненного слоя почвы плодородного грунта.

Применяют также методы буртования, заключающиеся в сооружении фундамента бурта (земляной насыпи) вокруг загрязненного участка и подготовке почвы к закладке в бурт (рыхление, внесение минеральных питательных веществ, инертных структурообразователей и т.д.). Однако этот метод имеет ограничения, поскольку его нельзя применять в случае тонкодисперсного сложения почв, в присутствии большого количества неорганических соединений и при высокой токсичности почв [13].

Проблема использования микроорганизмов также состоит в сложности подбора минеральных удобрений для питательной среды. По результатам недавних исследований, однократное стартовое внесение даже небольших доз азотных минеральных удобрений хотя и стимулирует на первых этапах рекультивации жизнедеятельность углеводородокисляющих микроорганизмов, но в дальнейшем приводит к резкому замедлению процессов микробиологической деструкции нефтепродуктов из-за полного подавления активности азотфиксирующих бактерий и значительных непроизводительных потерь азота из почвы вследствие интенсивно протекающих в нефтезагрязненной почве процессов микробиологической денитрификации. В результате этого через короткий промежуток времени, несмотря на внесение удобрений, в почве наблюдается резкий дефицит азота и для дальнейшего стимулирования процессов биодеструкции нефтепродуктов требуется новое дополнительное внесение азотных удобрений, что в свою очередь опять неминуемо приведет к новым выбросам молекулярного азота из почвы в атмосферу [14].

Как показывает практика, применение биопрепаратов оправдывает себя только в системах интенсивной очистки, предполагающих перемещение загрязненного грунта на специально оборудованные технологические площадки в условиях, оптимальных для функциональной активности входящих в состав препаратов нефтеокисляющих микроорганизмов. Тогда как интродукция активных штаммов биопрепаратов в почву в неблагоприятных условиях чаще всего оказывается неэффективной.

Очевидно, что методы биологической очистки грунта от нефтепродуктов имеют как достоинства, так и недостатки, что открывает возможности для их усовершенствования.

1.2.1 Применение биологические метода очистки на практике

1.2.1.1 Методы очистки нефтезагрязненных  грунтов внесением культур

Механические и физические методы не могут обеспечить полное удаление нефтепродуктов из почвы, а  процесс естественного разложения загрязнений в почвах чрезвычайно  длителен. Разложение нефти и нефтепродуктов в почве в естественных условиях – процесс биогеохимический, в  котором главное и решающее значение имеет функциональная активность комплекса  почвенных микроорганизмов, обеспечивающих полную минерализацию нефтепродуктов до углекислого газа и воды [15].

Методы внесения культур  микроорганизмов применяются в  тех случаях, когда необходимая  аборигенная микрофлора отсутствует. Они находят применение при массированном  и аварийном загрязнении, в сложных  условиях, при отсутствии развитого  естественного биоценоза.

Достоинством этих методов  является их селективность и возможность  введения штаммов микроорганизмов, разрушающих сложные токсические  соединения. Однако их эффективность  не всегда бывает одинаково высока, поскольку многие культуры эффективны лишь в относительно узком диапазоне  условий. Кроме того, иногда происходит вырождение микроорганизмов до достижения необходимого уровня очистки. Также  следует учитывать, что их применение может нарушать естественные биоценозы, поскольку при этом происходит смена  состава популяций ведущих сообществ  микроорганизмов.

Обычно для очистки  грунтов и вод используют бактерии (Bacterium, Actinomyces, Artrobacter, Thiobacterium, Desulfotomaculum, Pseudomonas, Hydromonas, Bacillus и др.), а также низшие формы грибов. Часто применяют комплексные биопрепараты, которые содержат не только целый набор культур, но и питательные вещества. В настоящее время именно эта область – разработка искусственных биопрепаратов-деструкторов – получила во всем мире широкое распространение [16].

Различные виды дрожжей  Саndida разлагают ароматические соединения с концентрацией 1% за 180-200 дней. Саndidа sр. способна также утилизировать керосин и газ. Саndida lipolytica, введенная в дозе кл/г почвы, активно разлагает сырую нефть.

Нефтезагрязненные почвы  обрабатывают Acinetobacter sp., Alcalgenes sp., Pseudomonas sp., одновременно вносят растворы фосфорных и аммонийных солей. Нефтепродукты на поверхности почвы уничтожают бактерии видов Actinomycor elegans и Geotrichum marinum. Использование Actinebacter sp. дает 80%-ный эффект очистки от ароматических соединений по истечении 5 недель. Для деструкции нефти и нефтепродуктов выделены штаммы галотолерантных и галофильных архебактерий. В условиях высоких температур могут быть использованы бактерии вида Bacillus albiaxialis. Бактерия рода Desulfobacterium осуществляет деградацию салицилата в условиях сульфатредукции. Streptomyces albiaxialis разлагает углеводороды нефти при содержании соли до 30%; эффективность при оптимальной температуре 28-30°С достигает 50% [15, 16].

За рубежом довольно широко для локальной очистки  сильнозагрязненных почв и других материалов используется технология "биовосстановления", являющаяся весьма эффективной, но дорогостоящей. Суть этой технологии сводится к тому, что загрязненный материал загружается  в биореактор, оборудованный паровой  экстракцией, трубопроводами для подвода  кислорода (или воздуха), питательных  веществ и системами контроля рН и температуры. Биологическую  очистку можно комбинировать  с физическими методами, такими, как экстракция паром или адсорбция  на угле для удаления летучих соединений, или с химическими методами для  удаления токсичных компонентов  или металлов.

В условиях города, когда  многочисленны небольшие локальные  разливы нефтепродуктов, непосредственное использование биопрепаратов на месте бывает нерационально. В этих случаях наиболее рационален сбор загрязненного грунта или породы путем срезки с последующей их биологической очисткой на специальных площадках.

Технология применения биопрепаратов для очистки, в  частности почвы, предусматривает  одновременное внесение в почву  микробиологических препаратов и минеральных  компонентов, необходимых для питания  микроорганизмов, в основном азота  и фосфора, которые вносятся в  виде минеральных удобрений. В зависимости  от концентрации загрязнения почвы  в комплексе с биотехнологическими  методами применяются и агротехнические  приемы, направленные на улучшение  обеспечения кислородом микроорганизмов.

В результате многолетних  исследований, максимальная скорость биодеградации нефтяного загрязнения  была получена при комбинированном  использовании вышеперечисленных  способов.

Очевидно, что нет ни одного микроорганизма, который мог  бы усваивать все группы углеводородов, составляющих основу нефти, поэтому  ведутся активные разработки в области  данного процесса [17].

1.2.1.2 Методы очистки активацией микрофлоры

Данные методы очистки основаны на активизации существующей (аборигенной) в почве или породе микрофлоры. В результате этого микроорганизмы начинают активно поглощать загрязнитель и вызывать его деструкцию. Методы активизации аборигенной микрофлоры направлены на создание оптимальной  среды для развития определенных групп микроорганизмов, разлагающих  загрязнитель. Эти методы могут быть использованы везде, где естественный микробиоценоз сохранил жизнеспособность и достаточное видовое разнообразие. Очистка за счет активизации микрофлоры является медленным, но очень эффективным  процессом. Наиболее часто эти методы очистки применяются для ликвидации нефтяных и углеводородных загрязнений.

К простейшим способам активизации  микрофлоры относятся механические. Рыхление, частые вспашки, дискование, распашка загрязненных нефтепродуктами  земель являются благоприятными факторами, стимулирующими процессы биодеградации  нефтепродуктов в почве, при этом также улетучиваются легкие фракции  нефти. Существует также метод смешивания загрязненной почвы с чистой, после  чего в ней не только активизируется микрофлора, но и сама почва становится пригодной для выращивания растений, которые впоследствии используются в качестве субстрата, в свою очередь, ускоряя биодеградацию [18].

При очистке от нефтепродуктов почвы  и горных пород in situ путем стимулирования природной микрофлоры необходимо осуществить  активизацию природного микробного почвенного комплекса и особенно тех групп микроорганизмов, которые  окисляют углеводороды, что ведет  к активному потреблению углеводородов  нефти. Например, при использовании  такой технологии для переработки 10000 т почвы, удаленной с территории вблизи нефтеперерабатывающего завода (г. Роттердам, Нидерланды), за 75 дней обработки  концентрация нефтепродуктов в почве  снизилась до нормативного уровня [19]. Процесс очистки загрязненных материалов на оборудованных площадках является относительно дешевым методом, однако данный вариант очистки не обеспечивает оптимальных условий для жизнедеятельности  микроорганизмов, что ведет к  существенному увеличению сроков обработки  материалов.

Часто активизация биодеградации  осуществляется за счет поддержания  оптимальной температуры. Так, загрязненную почву зимой для повышения  температуры покрывают черной полиэтиленовой пленкой, летом такую же пленку, только прозрачную, используют для снижения испарения с поверхности [19].

В настоящее время появились  методы электрокинетической активизации  биодеградации. За счет электрического тока обеспечивается миграция микроорганизмов, имеющих собственный заряд по загрязненной зоне, что гарантирует более быструю и равномерную очистку грунта.

Механизм активизации биодеградации  с помощью ультразвука состоит  в разбивке крупных почвенных  агрегатов, которые особенно часто  образуются при нефтяном загрязнении, что, в свою очередь, увеличивает  доступность загрязнителя для микроорганизмов.

Другим широко распространенным способом активизации аборигенных микроорганизмов  является улучшение условий аэрации  почвы, породы или воды за счет добавок  воздуха. Самой простой мерой  в данном случае является продувка воздухом под различным давлением  почв, пород и подземных вод. Она  применяется при загрязнении  летучими углеводородами, дизельным  топливом и им подобными загрязнителями [20].