Биологическая рекультивация нефтезагрязненной почвы отходами пивоварения

Использование процессов, основанных на жизнедеятельности микроорганизмов, с целью решения проблем загрязнения окружающей среды постепенно растет. Наиболее интенсивно это происходит в последние десятилетия, когда вопросы охраны природы и очистки экосистем от уже имеющихся загрязнений вызывают особое беспокойство человечества [1].

Углеводороды нефти и их производные являются основными загрязнителями окружающей среды [2] в результате неуправляемых выбросов из скважин , аварийных разливов при повреждении хранилищ и трубопроводов и других процессов. Это представляет серьезную угрозу для экосистем и здоровья человека. Большинство существующих способов ликвидации углеводородных загрязнений почвы являются малоэффективными и высокозатратными, что вызывает необходимость разработки и внедрения современных технологий рекультивации [3].

Одной из наиболее эффективных технологий биологической рекультивации является биостимулирование, заключающееся в усовершенствовании естественной способности микроорганизмов разлагать загрязняющие вещества. Данная технология рекультивации стремится оптимизировать условия для

микробного разложения углеводородов : наличие и доступность питательных веществ, воды и кислорода, pH, температура и т.д. Использование местной микрофлоры для биоремедиации загрязненной почвы является наиболее предпочтительным, поскольку эти микроорганизмы быстрее адаптируются к специфической окружающей среде почвы [1, 4].

Для улучшения естественной тенденции почвенных микроорганизмов расщеплять углеводороды нефти были предложены и проверены многие методы. Показано, что механическая обработка улучшает аэрацию и способствует разрушению гидрофобной пленки нефтяных компонентов на частицах почвы; орошение обеспечивает стимуляцию активности микроорганизмов; внесение минеральных и органических удобрений способствует увеличению активности аборигенной микрофлоры; добавление структурообразователей необходимо для увеличения аэрирования почвы и т.д. [3].

Пивная дробина и отработанный кизельгур являются основными отходами пивоваренной отрасли. Пивная дробина образуется в процессе фильтрации осахаренного затора. Она содержит оболочки и нерастворимые части зерен солода и несоложенных материалов, безазотистые экстрактивные вещества, жиры и белки, входящи е в состав зерновых продуктов. Отработанный кизельгур содержит диатомит и органические вещества, осевшие на нем в процессе фильтрации пива. Диатомит состоит в основном из оксида кремния, большая часть которого находится в аморфной форме. Органическая составляющая отработанного кизельгура представлена нерастворимыми веществами солода и несоложенных материалов, клетками пивных дрожжей, белками, высокомолекулярными полимерами глюкозы и другими органическими веществами. Пивная дробина и отработанный кизельгур используются во многих отраслях хозяйственной деятельности человека, однако постоянно ведутся поиски новых более рациональных и экономически выгодных способов их утилизации [5].

Цель исследования – оценить влияние пивной дробины и отработанного кизельгура на степень удаления углеводородов из черноземной почвы разной степени загрязнения в лабораторном эксперименте.

В работе использовали чернозем оподзо-ленный среднесуглинистый Самарской области, имеющий следующие характеристики: рН солевой вытяжки – 5,9; рН водной вытяжки – 7,0; сумма поглощенных оснований – 35,4 мг·экв. на 100 г почвы; гумус – 7,4 %, общая влагоемкость – 63,1 %. При проведении исследования применяли «Нефть 3.2.1.2 ГОСТ Р 51858-2002» (высокосернистая, средней плотности), полученную на ОАО «Оренбургнефть». В работе использовали пивную дробину, полученную при варке пива «Классическое» в лаборатории бродильных процессов факультета «Пищевых производств» Самарского государственного технического университета, влажностью 70±2 %, а также отработанный кизельгур, полученный на одном из пивоваренных заводов Самарской области, влажностью 80±2 %.

Почву высушивали при комнатной температуре до воздушно-сухого состояния, тщательно очищали от корней и просеивали через сито с диаметром отверстий 1 мм. В почву добавляли нефть в массовой концентрации 10 г/кг (средний уровень загрязнения), 30 г/кг (высокий уровень загрязнения) и 50 г/кг (очень высокий уровень загрязнения) [2], а затем – пивную дробину и отработанный кизельгур, смешанные в соотношении 1:1, в количестве 10, 20 и 30 % в пересчете на сухие дробину и кизельгур. Контролем служила почва, загрязненная нефтью в массовом соотношении 10 г/кг. Подготовленные образцы почвы тщательно перемешивали и помещали в стеклянные сосуды с полиэтиленовыми крышками. Влажность опытных и контрольных образцов почвы поддерживалась на уровне 30±2 %, что составляет 50 % ее общей влагоемкости. Образцы инкубировали в термостате при температуре 30±1 °С в течение 3 мес, проводя рыхление и отбирая пробы через 15 сут, 1, 2 и 3 мес.

В отобранных пробах определяли содержание углеводородов методом колоночной хроматографии с весовым окончанием [2] в нашей модификации. Для этого 10 г воздушносухой почвы помещали в кол бу объемом 250 мл. К пробе добавляли 30 см3 хлороформа и экстрагировали в течение 20 мин при встряхивании. Затем экстракт фильтровали через фильтр «красная лента» в круглодонную колбу объемом 250 мл. Процедуру экстракции повторяли еще два раза, объединяя фильтраты. Хлороформ отгоняли на ротационном вакуумном испарителе. Остаток растворяли в 15 см3 гексана. Полученный экстракт очищали от полярных соединений, не относящихся к нефтепродуктам, методом колоночной хроматографии, пропуская его через стеклянную колонку диаметром 1 см, содержащую 10 см3 оксида алюминия, колонку промывали 30 мл чистого гексана.

Остатки гексана удаляли путем испарения при комнатной температуре. Содержание нефтепродуктов в исследуемой пробе почвы рассчитывали по разнице между массой стаканчика с остатком после удаления гексана и массой пустого стаканчика, определенными с точностью до 10-4 г. Суммарное содержание углеводородов пересчитывали на 1 г сухой почвы.

Математическую обработку результатов исследований проводили при помощи множественного регрессионного анализа с применением программы «Statistica 6» [6].

Результаты проведенных исследований показали, что внесение пивной дробины и осадка кизельгура ускоряет процесс удаления углеводородов из черноземной почвы со средним уровнем загрязнения нефтью в лабораторном эксперименте (рис. 1). В течение всего периода наблюдений содержание углеводородов в загрязненной почве постепенно снижается, но степень удаления углеводородов из нефтезагрязненного чернозема, содержащего отходы пивоварения, остается выше, чем в контроле.

Продолжительность эксперимента, месяцы

— - — - почва + нефть 10 г/кг;

---■---почва + нефть + 10 % отходов;

---А---почва + нефть + 20 % отходов;

---□---почва + нефть + 30 % отходов

я 80

б 70

Е

« 65

| 60

Продолжительность эксперимента, месяцы

— - — - почва + нефть 30 г/кг;

---■---почва + нефть + 10 % отходов;

---А---почва + нефть + 20 % отходов;

---□---почва + нефть + 30 % отходов

Рис. 1. Изменение степени удаления углеводородов из почвы с добавлением отходов пивоварения при среднем уровне загрязнения нефтью

В лабораторном эксперименте добавление пивной дробины и отработанного кизельгура стимулирует процесс удаления углеводородов из черноземной почвы, имеющей высокую степень загрязнения нефтью, по сравнению с контрольной нефтезагрязненной почвой (рис. 2). Различия в степенях удаления углеводородов в контрольной нефтезагрязненной почве и почве, содержащей различные массовые отношения солодовой дробины и осадка кизельгура, хорошо заметны на протяжении всего периода исследований. Степень удаления углеводородов у контрольных и опытных образцов почвы постепенно увеличивается в течение всего периода наблюдений.

Внесение пивной дробины и отработанного кизельгура в лабораторном эксперименте ускоряет процесс удаления углеводородов из черноземной почвы, имеющей очень высокий уровень загрязнения нефтью (рис. 3). На протяжении всего периода наблюдений интенсивность удаления углеводородов из нефтезагрязненной почвы с добавлением пивной дробины превышает показатель контрольной нефтезагрязненной почвы. В момент окончания эксперимента уровни содержания углеводородов в черноземе с добавлением различных массовых соотношений пивной дробины становятся сопоставимы друг с другом, но по-прежнему превышают контрольный показатель.

Рис. 2. Изменение степени удаления углеводородов из почвы с добавлением отходов пивоварения при высоком уровне загрязнения нефтью

Продолжительность эксперимента, месяцы

— - — - почва + нефть 50 г/кг;

---■---почва + нефть + 10 % отходов;

---А---почва + нефть + 20 % отходов;

---□---почва + нефть + 30 % отходов

Рис. 3. Изменение степени удаления углеводородов из почвы с добавлением отходов пивоварения при очень высоком уровне загрязнения нефтью

Многофакторный дисперсионный анализ результатов лабораторного эксперимента показал зависимость динамики степени удаления углеводородов из почвы от содержания нефти ( F = 811,8, p < 0,01, к = 2), пивоваренных отходов ( F = 678,8, p < 0,01, к = 3) и продолжительности эксперимента ( F = 713,4, p < 0,01, к = 2). Обнаружено статистически достоверное совокупное влияние на степень удаления углеводородов из почвы: содержания нефти и отходов пивоварения ( F = 3,4, p < 0,04, к = 6); содержания нефти и продолжительности эксперимента ( F = 3,4, p < 0,01, к = 4); содержания пивоваренных отходов и продолжительности эксперимента ( F = 18,4, p < 0,01, к = 6).

Твердые вещества биологического происхождения, к которым также можно отнести пивную дробину и отработанный кизельгур, являются перспективными источниками питательных веществ для микроорганизмов, участвующих в процессе биологической очистки [4, 7]. Однако в литературе мало сведений о возможности их использования, для того чтобы усилить разложение углеводородов в загрязненных почвах [8].

Типичные проблемы, с которыми сталкиваются при использовании твердых веществ биологического происхождения, включают: трудность доставки питательных веществ глубоко в почву, а также возможность загрязнения почвы металлами, патогенными микроорганизмами и яйцами гельминтов. Преимущества использования твердых веществ биологического происхождения включают: их низкую цену (или возможность бесплатного получения); доступность получения; медленный выпуск питательных веществ и, следовательно, минимальную возможность дополнительного загрязнения экосистемы химическими веществами (как, например, в случае использования минеральных удобрений) [4].

Проведенные модельные лабораторные исследования показали возможность использования пивной дробины и отработанного кизельгура для удаления углеводородов и проведения биологической рекультивации черноземной почвы, имеющей различную степень загрязнения нефтью.