Способ очистки грунта от подземных загрязнений фенолами

 

Изобретение относится к биологической очистке грунта от подземных загрязнений фенолами. Способ включает в себя орошение поверхности грунта над ядром подземного загрязнения суспензией, содержащей микроорганизм-биодеструктор и биогенные элементы, инфильтрацию суспензии в грунт и экстрагирование ею подземных загрязнений, откачку жидкости из водоносного слоя через специальные скважины и последующую очистку от загрязнений на аэрофильтре с аэрацией воздухом (откачиваемый воздух очищается от паров загрязнений на воздушном фильтре). В качестве микроорганизма-биодеструктора в орошаемой жидкости, аэрофильтре и воздушном фильтре используется штамм бактерий Aureobacterium saperdae 6-204, а насадка аэрофильтра с порозностью 0,4-0,9 выполнена из инертных материалов (древесная стружка, торф). Способ позволяет за 65 суток очистить грунт от подземных загрязнений фенолами выше 99% без вскрышных работ и изъятия загрязненного подземного грунта на поверхность. 5 табл., 2 ил.

Изобретение относится к биологической очистке грунта от подземных загрязнений фонолами, с применением микроорганизмов и может быть использовано в химической промышленности, энергетике, коммунальном хозяйстве и при авариях на транспорте.

В последние годы все большее внимание исследователей и технологов привлекает использование микроорганизмов-биодеструкторов при очистке загрязненных органическими веществами грунтов и осадков [1].

Наиболее близким к заявляемому по назначению и совокупности существенных признаков является способ биологической очистки грунтов, основанный на микробиологическом окислении органических загрязнений (фенолов) в биореакторе поверхностного типа (биофильтре). При этом осуществляются экстрагирование загрязнений из грунта водой, поступающей через инфильтрационную траншею, откачка грунтовых вод и последующая биодеградация содержащихся в ней загрязняющих примесей аборигенной микрофлорой в биофильтре [2].

Основными недостатками известного способа, принятого за прототип, являются низкая интенсивность деградации загрязнения, связанная с использованием аборигенной микрофлоры, а также значительное испарение органического загрязнения из скважинной воды в биореакторе. Кроме того, способ связан с изменением природного ландшафта, поскольку поступление промывной воды в грунт осуществляется через инфильтрационную траншею.

Заявляемое изобретение решает задачу повышения эффективности очистки подземных загрязнений грунта. Предлагаемый способ также основан на извлечении грунтовых вод с последующей биодеградацией загрязнений, в них содержащихся, и дальнейшем экстрагировании очищенной водой загрязнений из грунта, однако, в отличие от прототипа, в качестве микроорганизма-биодеструктора применяется не аборигенная микрофлора, а штамм бактерий Aureobacterium saperdae 6-204, иммобилизованный на насадке аэрофильтра, обеспечивается биоокисление паров органического загрязнения (фенола) в воздушном фильтре (см. фиг. 1).

Достигаемый при реализации изобретения технический результат обеспечивается тем, что поверхность грунта орошают жидкостью, содержащей от 0.05 до 0.2 г-ион/л аммония, от 0.005 д6 0.05 г-ион/л фосфатов, а также микроорганизм-биодеструктор Aureobacterium saperdae 6-204; откаченная из скважин жидкость с растворенными в ней загрязнениями подают на аэрофильтр с расходом, обеспечивающим концентрацию загрязнений на выходе из аэрофильтра в пределах 0.1-0.3 мг/л; аэрацию аэрофильтра осуществляют путем откачки воздуха из-под слоя насадки, откачиваемый воздух очищают от паров загрязнений на воздушном фильтре, также заполненном насадкой с микроорганизмом-биодеструктором; в качестве микроорганизма-биодеструктора в аэрофильтре и воздушном фильтре используется штамм бактерий Aureobacterium saperdae 6-204, а насадка аэрофильтра с порозностью 0.4-0.9 выполнена из инертных материалов.

Ликвидация подземных загрязнений производится путем экстрагирования их в промывные воды, откачки последних из скважин и биодергадации загрязнений на аэрофильтре. Промывные воды вносятся на поверхность загрязненных участков территории методом дождевания. Откачка из скважин осуществляется скважинными насосами таким образом, чтобы уровень грунтовых вод на участке понизился до минимума по сравнению с обычным уровнем. После откачки производится дождевание участка для восстановления уровня грунтовых вод. Процедуры откачки и дождевания повторяются до тех пор, пока концентрация загрязняющих веществ в грунтовых водах не снизится до допустимых значений.

Откаченная вода из скважин через систему напорных трубопроводов, проложенных по поверхности земли, подается на систему очистки промывных вод от фенолов в аэрофильтр, оснащенный дренажной решеткой, на которую помещен слой насадки. В аэрофильтре промывные воды циркулируют через насадку с иммобилизованными на ней клетками микроорганизма-биодеструктора, которые потребляют содержащиеся в воде фенолы. Циркуляция воды через аэрофильтр осуществляется до тех пор, пока концентрация фенолов в воде не снизится до уровня 0.1-0.3 мг/л. Конструкция установки для переработки загрязненных вод исключает возможность их попадания в подземные горизонты. Утилизация паров фенолов обеспечивается за счет отвода последних из аэрофильтра в специальный воздушный фильтр с насадкой из верхового торфа с иммобилизованными клетками микроорганизма-биодеструктора, где происходит их улавливание и биодеградация.

В заявляемой технологии используется штамм фенолокисляющих бактерий Aureobacterium saperdae 6-204. Микроорганизмы являются непатогенными, нетоксичными, неинвазивными (не приживающимися в организме человека и теплокровных животных).

Селекционированный штамм Aureobacterium saperdae 6-204 выделен из накопительной культуры образца почв Чувашии, где в 1996 году произошло крушение грузового поезда с фенолом. Данный грунт характеризуется содержанием фенола от 0,14 г/кг до 1,754 г/кг.

Характеристика штамма Aureobacterium saperdae 6-204.

Среда для хранения: МПА (мясо-пептонный агар).

Культурально-морфологические признаки: на мясо-пептонном агаре образуются желтые мелкие блестящие каплевидные цельные колонии, край гладкий, структура колонии однородная, диаметр молодой колонии 2-2,5 мм, старой 3-3,5 мм. . Пигмент не диффундирует в среду. Бактерии грамположительные, неспорообразующие, некислотоустойчивые, палочки 1,05х2,5-1,0х3,0 мкм. Одиночные, некоторые в парах, V-образной конфигурации или палисадные в виде параллельно лежащих палочек, встречаются кокковидные клетки 0,7х0,7-1,05х1,05 мкм. В старых культурах палочки обычно короткие, мицелий не образуют. Клетки слабоподвижные.

Физиолого-биохимические признаки: аэробы, метаболизм дыхательного типа с образованием небольшого количества кислоты, но не газа из глюкозы, сахарозы, мальтозы, маннозы. Бактерии каталазоположительные, желатину не разжижают, молоко не свертывают и не пептонизируют. Нитраты не восстанавливают. На ломтике картофеля обильный рост с бежево-желтым пигментом. В МПБ слизистая пленка, умеренная муть, осадок скудный. Хорошо растет в диапазоне рН среды 6,8-7,4, при температуре 15-20^oС, индол и сероводород не образует. Штамм Aureobacterium saperdae 6-204 депонирован в коллекции микроорганизмов OOO ПКФ "Бигор".

В процессе биодеградации фенолов не образуется веществ, оказывающих отрицательное воздействие на окружающую среду. При исчерпании фенолов клетки биопрепарата-деструктора замещаются природной микрофлорой.

Пример 1. Проведены эксперименты по изучению разработанного способа очистки грунта с содержанием фенолов ≈1000 мг/кг с использованием штамма бактерий Aureobacterium saperdae 6-204. Эксперименты проводились на модельной установке, в качестве насадки аэрофильтра использовалась древесная стружка.

Установка, представленная на фиг. 2, состоит из: промывной колонны объемом 550 л, пяти аэрофильтров объемом 3 л, пяти емкостей объемом 2 л, восьми насосов шестеренчатых, вентилятора, накопительной емкости объемом 50 л, сборника очищенной воды объемом 5 л, воздушного фильтра, шлангов, системы КИП и А. Аэрофильтры и емкости изготовлены из оргстекла и полиэтилена. Коммуникации выполнены из силиконовых шлангов.

Первый этап очистки - экстрагирование загрязнений из образцов грунта - осуществлялся в промывной колонне (1) диаметром 0.45 м и высотой 3.5 м, выполненной из оргстекла.

Проводили многоступенчатое экстрагирование образцов грунта, количество ступеней экстрагирования в опытах варьировалось от 2 до 4.

Образец грунта орошался водой из распределительной головки с интенсивностью 0.1 м³/м²•ч или с расходом 1 л/ч.

Измеряли начальное и остаточное (после экстрагирования) содержание загрязняющих примесей в образцах грунта. В экспериментах определялась степень извлечения фенола из грунта на каждой ступени экстрагирования.

На основе полученного материального баланса процесса экстрагирования фенола из грунта определяли степень извлечения этих веществ в весовых процентах.

Обработка проводилась чистым растворителем - водой, - поэтому степень "недоизвлечения" экстрагируемого вещества (отношение количества экстрагируемого вещества в остатке к количеству его в исходном материале) вычислялась по формуле где ϕ - степень "недоизвлечения" экстрагируемого вещества; а - отношение потоков: масса отделяемого раствора к массе раствора, удерживаемого твердым веществом; n_с число ступеней экстрагирования.

Результаты экспериментов, представленные в таблице 1, показали, что при водном экстрагировании фенола из грунта в среднем за 3 ступени экстрагирования происходит практически полное вымывание фенола - итоговая степень извлечения достигает ≈100%, остаточная концентрация фенола в грунте не превышает допустимый фенольный индекс.

В зависимости от начальной концентрации фенолов в грунте предусматривается многоступенчатое экстрагирование из грунта.

Второй этап очистки - биодеструкция загрязняющих примесей - осуществлялся по следующей схеме. В каждый из пяти аэрофильтров (6) загружался слой насадки высотой 150 мм на подложку из листа вазопрона. Насадка состояла из древесной стружки. Над поверхностью насадки располагался разбрызгиватель, под насадкой устройство для отвода воздуха. Датчики расхода (5) контролировали поступление раствора в разбрызгиватели на каждый аэрофильтр. Из установки откачивался воздух. Отбор воздуха производился вытяжным вентилятором (8) из-под насадки на каждой ступени. Промывные воды из промывной колонны (1), содержащие экстрагированные из грунта фенолы, поступали в накопительную емкость (2), в которой приготавливалась суспензия, содержащая: - воду с содержанием фенолов 150 мг/л; - биопрепарат (штамм бактерий Aureobacterium saperdae 6-204) - 10 мг АСВ/л - (NH₄)₂SO₄ - 191 мг/л; - КН₂РO₄ - 30 мг/л; - MgSO₄ - 10 мг/л;
- микроэлементы - 12.5 мг/л.

В накопительную емкость производилась подпитка свежей питательной средой один раз в сутки.

Из накопительной емкости жидкость насосами (4) подавалась последовательно на пять ступеней аэрофильтра через приемные емкости (3). Орошение насадки в аэрофильтрах осуществлялось через разбрызгиватели. После прохождения через слой насадки жидкость собиралась в приемной емкости данной ступени и возвращалась в аэрофильтр на рециркуляцию. При достижении содержания фенолов в жидкости заданного уровня поток направлялся самотеком в приемную емкость последующей ступень очистки, при этом в приемную емкость данной ступени поступал поток с предыдущей ступени.

По достижении заданного содержания фенолов в жидкости, выходящей с последней ступени, поток направлялся в сборник очищенной воды (7), а на последнюю ступень поступала новая порция жидкости с предыдущей ступени очистки. Очищенная вода из сборника перекачивалась на орошение грунта в промывной колонне. Таким образом, установка работала в замкнутом режиме.

В ходе работы установки из-под слоя насадки всех аэрофильтров производился отвод воздуха, содержащего пары фенолов, который направлялся в воздушный фильтр (9), где осуществлялась биодеструкция конденсата паров с использованием того же микроорганизма Aureobacterium saperdae 6-204.

В течение 65 суток осуществлялась очистка грунта в замкнутом процессе, состоящая из промывания загрязненного грунта в колонне и биоочистки промывной воды в каскаде аэрофильтров. В ходе экспериментов было установлено, что при обработке в течение 65 суток грунта с содержанием фенолов ≈1000 мг/кг на выходе из установки концентрация фенола в воде не превышала фенольного индекса для питьевой воды (0.25 мг/л), при этом степень очистки грунта от фенолов составила 99.94%. В табл. 2 приведены характеристики биокатализаторов, иммобилизованных на древесной стружке и торфе.

Гидравлическая нагрузка на насадку из древесной стружки составляла:
на 1-ой ступени - 30 м³/м²•сут;
на 2-5-ой ступенях - 10 м³/м²•сут.

Пример 2. Проведены эксперименты по очистке грунта с использованием верхового торфа в качестве насадки аэрофильтра. Эксперименты проводились на установке, описанной в примере 1.

По результатам эксперимента (табл. 3) видно, что при использовании в качестве насадки торфа происходит более интенсивное окисление загрязняющих примесей клетками биопрепарата.

Гидравлическая нагрузка на насадку из торфа не превышает 2.1 м³/м²•сут.

Пример 3. Проведены эксперименты по оптимизации питательной среды, изучалось влияние концентрации вносимого аммония на активность микроорганизмов-деструкторов фенолов. Эксперименты проводились на установке, описанной в примере 1, в качестве насадки использовалась древесная стружка.

По результатам эксперимента (табл. 4) видно, что при содержании в питательной среде 0.05-0.2 г-ион/л аммония обеспечивается достаточно высокая активность клеток биокатализатора, достигается высокая степень очистки грунта от фенолов.

Пример 4. Проведена оптимизация питательной среды по количеству фосфатов в тех же условиях, что и предыдущие эксперименты.

Биокатализатор характеризуется достаточно высокой активностью при использовании питательной среды, содержащей 0.005-0.05 г-ион/л фосфатов (табл. 5).

Представленные примеры показывают, что предлагаемый способ обеспечивает за 65 суток степень очистки грунта выше 99% без вскрышных работ и изъятия загрязненного подземного грунта на поверхность.

Источники информации
1. А. Ю.Винаров, В.Н.Смирнов и др. Биотехнологические методы защиты окружающей среды. Обзор. М., 1999, 46 с.

2. Morgan P., Watkinson R.J. (1989) Microbiological methods for the cleanup of soil and ground water contaminated with halogenated organic compounds. FEMS Microbiol. Rev. 63, p.277-300.

Формула изобретения

Способ очистки грунта от подземных загрязнений фенолами, включающий орошение поверхности грунта над ядром подземного загрязнения суспензией, содержащей микроорганизм-биодеструктор и биогенные элементы, инфильтрацию суспензии в грунт и экстрагирование ею подземных загрязнений, откачку жидкости из водоносного слоя через специальные скважины и последующую очистку от загрязнений на аэрофильтре с аэрацией воздухом, отличающийся тем, что поверхность грунта орошают жидкостью, содержащей от 0,05 до 0,2 г-ион/л аммония, от 0,005 до 0,05 г-ион/л фосфатов, а также микроорганизм-биодеструктор Aureobacterium saperdae 6-204; откачанную из скважин жидкость с растворенными в ней загрязнениями подают на аэрофильтр с расходом, обеспечивающим концентрацию загрязнений на выходе из аэрофильтра в пределах 0,1-0,3 мг/л; аэрацию аэрофильтра осуществляют путем откачки воздуха из-под слоя насадки, откачиваемый воздух очищают от паров загрязнений на воздушном фильтре, также заполненном насадкой с микроорганизмом-биодеструктором; в качестве микроорганизма-биодеструктора в аэрофильтре и воздушном фильтре используют штамм бактерий Aureobacterium saperdae 6-204, а насадка аэрофильтра с порозностью 0,4-0,9 выполнена из инертных материалов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7