Поиск методов биоочистки нефтяных и буровых отходов

Деятельность предприятий нефтяной промышленности неминуемо связана с техногенным воздействием на объекты окружающей среды. Именно поэтому ликвидация и предотвращение загрязнения природной среды нефтью, нефтепродуктами и реагентами, используемыми при переработке и добыче нефти является наиболее сложной и многоплановой задачей в области охраны природы. Для основных нефтедобывающих и перерабатывающих регионов России просматривается тенденция к усилению данного негативного воздействия. Это происходит в результате широкого применения для обработки бу- ровых растворов полимерных химических реагентов, в удельном весе которых преобладают стабилизаторы эмульсий, понизители водоотдачи. Иными словами, соединения плохо поддающиеся термогидролитической деструкции. На данном этапе развития нефтеперерабатывающей и нефтедобывающей промышленности полностью исключить использование и негативное воздействие данных соединений не представляется возможным. Поэтому возникает необходимость разработки технологий и методов для очистки окружающей среды от нефтепродуктов, нефти и буровых химреагентов. В настоящее время су- ществуют основные методы ликвидации загрязнений почвогрунтов и водных объектов: физико-химические, механические и биологические. Почвы являются жизненно важным компонентом природной среды, образование этой системы происходит в течении десятков и сотен тысяч лет и несмотря на достоинства физикохимических и механических способов очистки почв от нефтепродуктов и химических реагентов, используемых при строительстве скважин главным и неоспоримым достоинством биоочистки нефтезагрязненных сред является сохранение и даже улучшение почвы, что позволяет вернуть земли в сельскохозяйственное использование через восстановление их плодородия.

Актуальность проблемы

Самыми распространенными источниками загрязнения водоемов и почвы нефтью, нефтепродуктами, химическими реагентами выступают предприятия нефтепереработки, нефтедобычи, транспорта и хранения нефти и нефтепродуктов. Попав в окружающую природную среду, данные вещества негативно влияют на все звенья биологической цепи, приводят к нарушению естественных химических и биологических процессов. Обитатели экосистем, подвергаясь токсическому действию нефтепродуктов, способны аккумулировать их в своих тканях. Углеводороды могут затем по пищевым цепям передаваться в организм человека (например, канцерогенные полициклические компоненты нефти). Наибольшую опасность для экосистем представляют нефтяные и буровые отходы, которые накапливаются и хранятся в земляных амбарах. Известные способы очистки и утилизации нефтяных и буровых отходов (особенно донных отложений нефтешламов) механические, химические и физические - не всегда эффективны, а также часто экологически небезопасны. В связи с этим наиболее перспективным способом очистки нефтяных и буровых отходов от нефти, нефтепродуктов и химреагентов является использование комплекса мер, с обязательным включением биотехнологического метода.

Методы исследования и обсуждение

Нефтешламы являются аномально устойчивыми эмульсиями, изменяющимися под действием атмосферы и процессов, протекающих в них [3, 4]. Нефтешламы независимо от способов формирования способны к отстаиванию и разделению на слои. Верхним слоем является малообводненная нефть с содержанием нефтепродуктов 98-81% и с относительно невысоким количеством механических примесей 0,5-1,5%. Средний слой это мелкодисперсная эмульсия («прямая» и «обратная») с массовым содержанием воды до 70 - 80% и механических примесей 1,5-15%; водный слой - свободно отстоявшаяся вода с плотностью от 1,01 до 1,19 г/см3 и минерализацией от 1,5 до 37,0 г/л, содержащая до 1% нефтепродуктов; придонный слой, содержащий до 65% нефтепродуктов; донный осадок, содержащий от 44 до 10% нефтепродуктов и от 32 до 58% механических примесей мощностью от 0,1 до 0,6 м; загрязненный грунт (расположен ниже дна амбара) содержит до 8% нефтепродуктов с засолением от очень слабой до сильной степени хлоридного типа [5, 6]. Сложный состав нефтяных шламов, разнообразие их видов говорит о сложности их дальнейшей утилизации и переработки. Данная проблема может быть решена только с включением комплексных и передовых методов.

Во время строительства скважин возникают отходы, образующиеся из буровых сточных вод (БСВ), бурового шлама (БШ), и отработанного бурового раствора (ОБР). Отработанный буровой раствор - раствор, подлежащий утилизации. Буровой шлам -это смесь бурового раствора с выбуренной породой, удаляемая из циркуляционной системы буровой установки оборудованием системы очистки бурового раствора [7]. Большую часть из всех отходов бурения составляют буровые сточные воды. Причиной этого является необходимость использования чистой природной воды, в результате чего образуются загрязненные стоки. На 1 метр проходки норма водопо-требления составляет 0,9-1,1 м3. Самыми опасными отходами бурения являются буровой шлам и отработанные буровые растворы. При строительстве скважин ис- пользуют системы буровых растворов, наиболее распространенной системой является глинистый буровой раствор на водной основе. Для поддержания фильтрационных, реологических, структурномеханических параметров бурового раствора используется набор специфических химических реагентов. Используемая в настоящее время технология строительства скважин, ориентированная на применение амбаров для сброса и хранения отходов бурения является несовершенной.

Биологические методы очистки почвы и воды от загрязнений в отечественной научной литературе, посвященной природоохранным мероприятиям, все чаще начали обозначать термином «биоремедиация», который является общепризнанным в зарубежной терминологии. Биоремедиация включает в себя комплекс технологий и устройств, предназначенных для биологической очистки почв и водоемов, т.е. использование биохимического потенциала аборигенных, адаптированных или модифицированных биологических систем, прежде всего микроорганизмов, для деградации или детоксикации поллютантов. Биоремедиация - основной термин, применяемый за рубежом для описания процесса биоочистки среды от загрязнителей. В отечественной научной литературе также используются следующие термины биомелиорация земель, рекультивация земель, очищение и самоочищение почв и водоемов. Рекультивация земель — это комплекс работ, направленных на восстановление иродуктивности и хозяйственной ценности земель, а также на улучшение условий окружающей среды. Рекультивация земель представляет собой совокупность различных механических, физикохимических и биологических методов ликвидации нефтяных загрязнений почвы.

В зарубежной науке в настоящее время выделены 6 типов технологий очистки окружающей среды, основанных на биотехнологических методах:

• 1)    биоремедиация – общая (BIOREMEDIATION – GENERAL);

• 2)    биоремедиация – грунтовые воды на месте (BIOREMEDIATION – IN SITU GROUND WATER);

• 3)    биоремедиация – почвы на месте (BIOREMEDIATION – IN SITU SOIL);

• 4)    биоремедиация – в жидкой фазе (пульпа) (BIOREMEDIATION – SLURR Y PHASE);

• 5)    биоремедиация – в твердой фазе (BIOREMEDIATION – SOLID PHASE);

• 6)    биовентиляция (BIOVENTING).

Разработка технологий биоремедиации почвы и воды с помощью микроорганизмов базируется на трех основных принципах: биостимуляция in situ (биостимуляция в месте загрязнения), биостимуляция in vitro и биоаугментация. Подход биостимуляции in situ основан на стимулировании роста природных микроорганизмов, естественно содержащихся в загрязненной почве и потенциально способных утилизировать загрязнитель, но не способных делать это эффективно из-за отсутствия полного набора пищевых компонентов (недостаток калия, фосфора, азота, кислорода и др.). В этом случае необходимо установить и разработать условия стимулирования роста микроорганизмов, способных утилизировать загрязнитель. Например, подобрать биодобавки, мелиоранты, минеральные соли и т.д. Отличие подхода биостимуляции in vitro от биостимуляции in situ в том, что биостимуляция образцов естественной микрофлоры загрязненной почвы и воды проводится сначала в лабораторных или промышленных условиях (в биореакторах или ферментерах). При этом в биореакторе обеспечивается преимущественный и избирательный рост тех микроорганизмов, которые способны наиболее эффективно утилизировать данный загрязнитель. Затем таким образом «стимулированную» (специально отселекционированную, обогащенную) микрофлору вносят в загрязненную почву.

При этом одновременно с внесением «стимулированных» микроорганизмами создают условия, повышающие эффективность утилизации загрязнителя, например, вносят необходимые пищевые добавки. При биоаугментации («биоулучшение») в загрязненную среду вносят относительно большие количества специализированных микроорганизмов (биопрепаратов), которые были выделены заранее их различных загрязненных источников и/или специально генетически модифицированы. Выбранные микроорганизмы предварительно размножаются в ферментерах в условиях, приближенным к условиям загрязненной почвы, и затем вносятся в необходимых объемах в загрязненную среду. В этом случае в загрязненной среде также необходимо создать условия, позволяющие интродуцированным микроорганизмам эффективно размножаться и утилизировать загрязнитель. При аугментации одним из главных условий к вносимым микроорганизмам является их биологическая безопасность и способность резко уменьшать численность после утилизации загрязнителя.

Использование микроорганизмов является основным и наиболее эффективным этапом биоремедиации почвы и вод, загрязненных нефтью, нефтепродуктами и органическими полимерами буровых отходов. Это основано на следующем факте: в настоящее время экспериментально доказана практически неограниченная возможность биодеструкции любого органического вещества, т. е. в природе всегда найдутся микроорганизмы, способные полностью или частично утилизировать данное органическое вещество. В связи с вышесказанным становится понятно, почему поиск, выделение и идентификация микроорганизмов-деструкторов нефти и нефтепродуктов всегда являются актуальными. Использование микроорганизмами составных компонентов нефти в качестве единственных источников углерода и энергии является установленным фактом, хотя многие вопросы, связанные с микробиологической трансформацией нефти, изучены недостаточно. Химический состав нефти является одним из важнейших экологических факторов, обуславливающих развитие микроорганизмов в среде, содержащей нефть. Наиболее доступны микробиологическому воздействию алифатические углеводороды. Поэтому окисление сырой нефти микроорганизмами всегда протекает в сторону ароматизации и депарафинизации компонентов нефти. Микроорганизмы могут использовать газообразные алканы, а также жидкие парафины, низкомолекулярные жидкие парафины С5 – C8 обычно не используются, так как они способны растворять клеточные мембраны, вследствие чего микроорганизмы гибнут. В лабораторных и промысловых условиях было установлено, что микроорганизмы также активно метаболизируют нафтены и ароматические вещества нефти, причем более легкие фракции указанных соединений могут полностью расщепляться. Хотя более тяжелые, более конденсированные циклические углеводороды и неуглеводородные компоненты, в частности асфальтены, достаточно устойчивы к бактериальному воздействию, они тоже могут подвергаться микробиологической трансформации.

Способность усваивать углеводороды нефти присуща микроорганизмам различных системных групп. К ним относятся многие виды микромицетов, дрожжей и бактерий. У бактерий способность к окислению углеводородов обнаружена у представителей родов Micrococcus, Brevibacterium, Rhodococcus, Acinetobacter, Pseudomonas, Bacillus, Nocardia, Corynebacterium, Arthrobacter, Streptomyces; у грибов: Actinomucor, Aspergillus, Pénicillium y дрожжей -Candida, Torulopsis, Rhodotorulla, Cryptococcus, Trichosporon и др.

Наиболее активные деструкторы нефти и нефтепродуктов встречаются среди бактерий, особенно среди коринеформных. Они характеризуются способностью к усвоению широкого спектра углеводородов, включая ароматические, обладают высокой скоростью роста и, следовательно, представляют практический интерес. Все известные деструкторы нефти и нефтепродуктов относятся к аэробным или к факультативно-аэробным микроорганизмам. Анаэробные микроорганизмы усваивают одну десятую того количества углеводородов нефти, которую способны утилизировать аэробные виды. Микроорганизмы - деструкторы углеводородов нефти выделяются из различных сред: почвы, пресных и морских вод, донных отложений и пластовых вод нефтяных месторождений. Микроорганизмы, выделенные из пластовых вод нефтяных месторождений, в основном относятся к углеводородокис-ляющим, сульфатвосстанавливающим бактериям, денитрифицирующим, аммонифицирующим, метанокисляющим, нитрифицирующим, тоновым, целлюлозоразрушающим.

Относятся преимущественно к родам: Clostridium, Brevibacterium, Desulfovibrio, Pseudomonas. Биоценоз микроорганизмов нефтяных скважин обуславливает интенсивные процессы окисления углеводородов нефти. Микроорганизмы, деградирующие нефть, являются обычными представителями биоценозов почв. Во всех почвах в большом количестве содержатся микроорганизмы, способные окислять жидкие парафины и значительно реже -летучие углеводороды. В почвах с загрязнениями нефти находится значительно больше микроорганизмов, использующих углеводороды, чем в почвах без этих соединений. В почве обнаружены бактерии-нефтедеструкторы, относящиеся к родам Rhodococcus, Arthrobacter, Mycobacterium, Brevibacterium, Flavobacterium, Bacillus, Pseudomonas. В почве, пропитанной нефтью, содержатся также аспорогенные дрожжи: Candida, Torulopsis, Rhodotorulla, Cryptococcus, Trichosporon и др. Активными компонентами агроценозов являются почвенные грибымикромицеты. Микро-мицеты преобладают среди почвенных микроорганизмов: их биомасса составляет от сотен килограммов до десятков тонн на 1 га. Они участвуют в процессах, поддерживающих плодородие почвы. Грибы характеризуются высокими скоростями роста и размножения, позволяющими им в короткие сроки заселять обширные массы субстрата. Они обладают способностью быстро реагировать на воздействие. неблагоприятных факторов среды переходом к анабиозу, возможностью длительного пребывания в этом состоянии без потери жизнеспособности, а также снособностью незамедлительно переходить к активной жизнедеятельности при наступлении благоприятных условий. Благодаря разнообразным ферментным системам и способности целесообразно реагировать на факторы внешней среды грибы хорошо выживают, адаптируются и интенсивно раз- множаются в новых, весьма экстремальных условиях обитания. В работах [8, 9] удалось установить, что грибные зачатки устойчивы к нефтяному воздействию. В малых дозах нефть практически не влияла на их численность, а при загрязнении средними и большими дозами численность грибных зачатков возрастала. Эта закономерность наблюдалась во всех типах почв. Подобное поведение было объяснено усилением споруляции для предохранения от негативного влияния нефти и активным ростом и размножением нефтеокисляющих форм микромицетов. В данных работах было также отмечено, что загрязнение нефтью влияет на состояние комплекса почвенных микромицетов, изменяет их численность, видовое разнообразие и распределение. Высокий уровень загрязнения обедняет существующие комплексы и формирует новые, нетипичные для данной почвы, в которых доминируют виды с фи-тотоксическими свойствами. Так, если в незагрязненных почвах (серой лесной, темно-серой лесной и выщелоченном черноземе) основными представителями (около 50%) являются грибы рода Pénicillium, то в нефтезагрязненных почвах их количество резко снижается, а нехарактерных видов увеличивается. Фитопатогенность нефтезагрязненных почв резко возрастает. Это связано не только с токсичностью самой нефти, но и с исчезновением грибов рода Trichoderma, которые проявляли антагонистические свойства по отношению к целому ряду фитопатогенных микромице-тов, и с увеличением среди нефтеразлагающих микромицетов представителей рода Aspergillus, среди которых большое количество токсинообразующих и вызывающих различные заболевания растений форм [8, 9]. В связи с этим в последнее время большое внимание уделяется поиску нефтеокисляющих микромицетов. Из природных образцов нефтесодержащих почв Республики Башкортостан был выделен штамм Fusarium species №56, обладающий способностью биодеградировать разнообразные компоненты нефти (легкие и тяжелые фракции, сераорганические вещества) [10] и буровых растворов (полиакриламидные производные) [11] в широких диапозонах рН, солености и температуры (рН 3-8, температура – 10-40°С, содержание хлористого натрия – до 7%).

Микроорганизмы, окисляющие углеводороды, широко распространены в водоемах. Наибольшее число их обнаруживается в теплое время года, а в холодный период – меньше [12]. По данным Е.И. Квасникова [13], в поверхностной нефтяной пленке Черного моря доминируют представители родов Pseudomonas и Mycobacterium. Углеводородокисляющие бактерии Баренцева моря были также отнесены к следующим родам: Bacillus, Pseudomonas, Micrococcus [13]. Нефтеокисляющие микроорганизмы в донных отложениях распределяются по-разному. Известно, что наибольшее число этих микроорганизмов (106 в 1 г осадка) обнаружены в самом глубоком слое (35 см и ниже). Исследователи объясняют это тем, что углеводороды концентрируются в нижнем слое, а поверхностный слой перемещается вместе с водой [14]. Основным преимуществом нефтеразлагающих морских микроорганизмов является способность расти и развиваться при высоких концентрациях солей, так как они или солеустойчивы или галофильны. Например, штамм Mycobacterium species ЦКМ 65-Б пригоден для очистки морской воды до 7,5% солености. Для биодеградации углеводородов могут быть использованы не только отдельные бактерии, но и их сообщества. Многокомпонентность нефти и разнородность составляющих ее веществ, разнообразие биотических и абиотических факторов окружающей среды в реальных условиях усложняют процесс биоочистки, поэтому создание ассоциаций, состоящих из микроорганизмов с разными способностями к деградации, является перспективным направлением для биоремедиации нефтезагрязненных экосистем. Можно выделить стабильные сообщества, в которых взаимодействия между отдельными его членами дает им ряд преимуществ. В результате чего такая ассоциация становится более эффективной, чем отдельно взятые виды [15]. Например, для очистки почвы от мазута ассоциации родококков с псевдомонадами [16], родококков с ацинетобак- териями оказались более эффективными, чем отдельные штаммы [17]. При создании биопрепаратов для борьбы с нефтезагряз-нениями наиболее предпочтительными могут быть комбинации микроорганизмов разных таксономических групп. В пробах нефтезагрязненных почвогрунтов города Екатеринбурга были подсчитаны фотоге-теротрофные пурпурные бактерии, способные использовать на свету в анаэробных условиях жирные кислоты (масляную, пропионовую, яблочную) и не разлагающие нефтепродукты. Было сделано предположение, что эти фотогетеротрофы использовали жирные кислоты, являющиеся продуктами неполного окисления алканов аэробными микроорганизмами при недостатке кислорода [18]. Ассоциация бактерии Thiobacillus species и микромицета Fusarium species №56 предлагается для биодеструкции сульфидов, дисульфидов и меркаптанов нефти. Существует метод очистки воды и почвы от нефти, нефтепродуктов и полимерных добавок в буровой раствор (КМЦ, ССБ, ПАА и др.) посредством ассоциации бактерий: Rhodococcus erythropolis АС-1339Д; Pseudomonas putida ВКМ-1301 и Bacillus subtilis BKM-1742D. В большинстве случаев микробные культуры, выделенные из загрязненной нефтью почвы, представляют собой консорциумы. В частности, микробная культура, выделенная из нефтезагрязненного биоценоза почвы, идентифицирована как ассоциация трех видов аэробных бактерий, два из которых представлены доминирующими штаммами рода Arthrobacter и один Micrococcus varians, на долю которого приходится 5-7% массы консорциума. Наиболее эффективные культуры микроорганизмов-алканотрофов, выделенные из техногенной почвы в области города Санкт Петербурга, представляли собой две ассоциации: бактериальная В-15 и мицелиальная М-12. Ассоциацию В-15 составляют два вида бактериальных клеток: В-15-1 – грамположительные спорообразующие бациллы и В-15-2 – гра-мотрицательные кокки сферической формы; при этом было обнаружено, что разделение ассоциации В-15 на чистые культуры невозможно из-за их прочного соеди- нения. Мицелиальная ассоциация была разделена на чистые культуры: штамм 121 был отнесен у виду Aspergillus fumigatus Fresenius, штамм 12-2 – к секции Biverticillata asymmetrica группе Pénicillium notatimi Westling. Выделенные микромицеты утилизировали различные фракции нефти, но более глубокое разрушение нефти осуществлялось их ассоциацией. Исследователями было сделано предположение, что Аfumigatus Fresenius сорбировал нефть на поверхности биомассы, а Рnotatum Westling разрушал ее. В некоторых случаях симбиотические взаимодействия бактерий в нефтезагрязненных средах приводят к формированию так называемого консорциума, в котором клетки двух видов объединены как бы в единый организм. Например, упомянутая ранее ассоциация бактерий В-15 представляет собой консорциум, так как на фотографии, полученной с помощью электронного микроскопа, видно их прочное соединение друг с другом. Консорциумы бактерий Arthrobacter oxydans и Pseudomonas putida, Alcaligenes denitricans, Baccillus sp., Pseudomonas putida и Aeromonas sp. консорциум дрожжей Candida maltosa Y-2256 и Y2257 предлага- ются для очистки почвы и воды от нефти и нефтепродуктов в широком диапазоне рН, температур и нефтезагрязнителей. Следует отметить, что четких критериев составления искусственных ассоциаций нефтеде-структоров до настоящего времени не выработано и в состав биопрепаратов включают штаммы по принципу их совместимости и высокой нефтеразлагающей способности.

Выводы

В данной работе были проанализированы основные источники и физикохимический состав отходов нефтяной промышленности. Рассмотрены основные технологии к их переработке. Оценена стойкость реагентов, составляющих буровой раствор и нефтяных шламов к биодеструкции. В отдельных случаях, доказана перспективность использования биотехнологического метода утилизации. Установлены таксономические группы микроорганизмов, являющиеся нефтяными деструкторами. Выявлена эффективность использования отдельных ассоциаций микроорганизмов деструкторов и необходимость совершенствования критериев подбора ассоциаций микроорганизмов для успешного практического использования.