Биологические методы ликвидации разливов нефти и нефтепродуктов на грунте по EX SITU-технологии

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ  И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное  бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ  ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

 

 

Кафедра ТХНГ

РЕФЕРАТ

по дисциплине

«ЭКОЛОГИЯ НЕФТЕПРОВОДНОГО ТРАНСПОРТА»

Биологические методы ликвидации разливов нефти и нефтепродуктов на грунте по ex SITU-технологии

 

Студент

группы з-2Т82     __________             ___________              Д. В. Харитонов

                                              (подпись)        (дата)

 

Проверил             __________             ___________      Н.А. Антропова

                                              (подпись)                                 (дата)

 

Томск – 2013

Содержание

Введение 3

1 Процесс биоремедиации 4

2 Реализация технологий биоремедиации по технологии Ex-situ 5

2.1 Методы Off-site 5

2.1.1 Cтационарные полигоны биоремедации 5

2.1.2 Cтационарные и промышленные биореакторы 6

2.2 Метод On-site 11

2.2.1 Мобильный биореактор 11

3 Заключение 13

Список используемой литературы 14

 

Введение

Нефть является одним из основных факторов мирового экономического развития в ХХI 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 считаются биологические методы ликвидации разливов нефти и нефтепродуктов.

 

 

 

 

 

 

1 Процесс биоремедиации

Биоремедиацией (биологический метод) основывается на специфических способностях микроорганизмов. Микроорганизмы способствуют разложению нефти на простые соединения, а также накоплению органического вещества. Преимущества биологической очистки: экологическая безопасность, возможность разложения загрязняющих веществ до безвредных промежуточных продуктов, сохранение структуры почвы, отсутствие дополнительного загрязнения окружающей среды.

Биоразложение происходит за счет аэробной микрофлоры, которая использует для своего развития процессы окисления компонентов нефти. Особое значение в этом процессе имеют микроорганизмы, которые осуществляют внутриклеточное окисление углеводородов.

Биоремедиация включает в себя комплекс научных разработок и технологий, задачей которых является использование биохимического потенциала аборигенных, адаптированных или модифицированных биологических систем [4].

Процесс биоремедиации осуществляется в окружающей среде. Степень успеха процесса биоремедиации зависит от разнообразия микроорганизмов, способных осуществлять реакции биодеградации. Биоремедиация предполагает создание в очищаемой экосистеме большого количества биомассы от активно размножающихся микробных сообществ [2].

 

 

 

 

 

2 Реализация технологий биоремедиации по технологии Ex-situ

Способ Ex-situ связан со сбором и обработкой загрязненного материала на специально оборудованных площадках, в биореакторах и других установках.

Метод Ex-situ подразделяется:

1. Методы Off-site – обработка вне места образования:

• Cтационарные полигоны биоремедации
• Стационарные и промышленные биореакторы

2. Метод On-site – обработка на месте образования

• Мобильные биореакторы

При разработке технологии решались следующие задачи:

Интенсификация аэробной биодеструкции углеводородов в шламовых отходах, имеющих неблагоприятный для компостной микрофлоры химический состав;

• Исследование возможности применения для биообработки углеводородсодержащих шламов добавок на основе отходов вспомогательных производств нефтетехнологического комплекса взамен природных материалов;
• Функционально-компоновочное и конструктивно-технологическое оформление сооружений интенсивной биодеструкции нефтешламов.

2.1 Методы Off-site 

2.1.1 Cтационарные полигоны биоремедации

Необходимо создание специализированных стационарных полигонов (площадок) по перевалке, хранению и переработке  нефтесодержащих отходов, в частности  создание площадок рекультивации. В  определенных ситуациях необходимо организовывать временные локальные  площадки биоремедиации.

Создание специализированных полигонов по перевалке, хранению и  переработке нефтесодержащих отходов  обосновывается производственными, экономическими и экологическими показателями [1]. 
По времени процесс очистки осуществляется в течение 2-6 месяцев. Эффективность очистки достигает 90 %. Нередко биоштаммами обрабатывают грунт без выборки и равномерного распределения по территории. В этом случае время восстановления составляет до трех лет и более. При выполнении такого метода очистки следует учитывать следующее:

• при содержании углеводородов в грунте более 15% метод деструкции не эффективен, так как требуется вносить в этом случае дополнительно большое количество биоштаммов;
• для жизнедеятельности биоштаммов требуется наличие кислорода, поэтому процесс биодеструкции углеводородов наблюдается только в поверхностном слое грунта на глубине не более 20 см;
• при температуре воздуха ниже +10 °C  биоштаммы практически не работают, они находятся в состоянии анабиоза.

Территорию на которой равномерно распределяют очищаемый грунт, с целью предотвращения загрязнения, необходимо покрыть бензомаслостойким герметичным материалом [2].

2.1.2 Cтационарные и промышленные биореакторы

Сухой биореактор

 В сухом биореакторе (рис. 2.1.1) в почву добавляют только микроорганизмы и питательные вещества. Требуемая влажность для микробиального роста поддерживается системой разбрызгивания или за счет атмосферных осадков. Аэрирование обеспечивается физическим перемешиванием почвы. Почва снабжена изолирующим слоем для сбора испарений, улетучивающихся с почвы.

После того, как процесс  биоремедиации завершился, почва может быть перемещена к требуемому местоположению [3]. Эта система применима в очень определенных ситуациях. Часто в почве формируются гранулы, которые препятствуют биоремедиации, уменьшая стойкость микроорганизмов к загрязнителям. 

 

 
Рисунок 2.1.1 – Сухой биореактор  

  
Изотермический реактор закрытого типа  

Для условий России, где  средняя температура не превышает 5÷6 °C, биообезвреживание грунтов открытым способом малоэффективно, и очистить грунт до норматива за летний период на широте выше положения г. Москвы не удается. Для низких средних температур разрабатываются закрытые биореакторы изотермического типа. Такие реакторы могут работать круглогодично за счет поддержания оптимальных температурных условий, необходимых для размножения микроорганизмов и биоразложения нефтепродуктов. 

Конструктивно биореакторы представляют собой камеру, куда подается загрязненный нефтепродуктами грунт и внутри которой осуществляется перемешивание грунта и периодическая дозированная подача воды, удобрений и микрофлоры. Перед загрузкой в биореактор грунт измельчается с помощью культиватора, т. к. чем меньше размер частиц грунта, тем выше диффузия экотоксикантов к микроорганизмам. 

Технология биообезвреживания состоит из следующих стадий: 

• вырезка загрязненного грунта;
• доставка загрязненного грунта к месту размещения биореактора;
• выгрузка загрязненного грунта из кузова автомашины в приемный бункер;
• дозированная подача грунта в культиватор;
• измельчение грунта культиватором;
• сепарация крупных камней и снежных глыб;
• прогрев измельченного грунта перед подачей в реактор в холодное время года;
• подача измельченного грунта в биореактор;
• процесс биоразложения нефтепродуктов микроорганизмами;
• периодическое орошение грунта в биореакторе раствором удобрений и микрофлоры в воде;
• периодическое перемешивание грунта в биореакторе;
• проведение анализов проб грунта на содержание нефтепродуктов;
• выгрузка загрязненного грунта из кузова автомашины в приемный бункер;
• загрузка кузова автомобиля очищенным грунтом с помощью транспортера (объем выгружаемого очищенного грунта не должен превышать 75 % объема грунта, находящегося в биореакторе) [3].

Биотермическая обработка  шламовых отходов осуществляется с  использованием порообразующих и инокулирующих добавок на основе природных материалов: перлита, торфа, лигнина, древесных отходов, отходов агропромышленного комплекса и др. [5].

Добавки создают в нефтешламовой смеси условия, благоприятные для жизнедеятельности аэробной компостной микрофлоры. Некоторые добавки, такие, как лигнин и доломитовая мука, выполняют функции нейтрализаторов, корректируя реакцию среды. Массовые соотношения шламовых отходов и добавок лежат в пределах от 1:0,5 до 1:2. Большие объемы добавок на основе природного сырья, удаленность источников их образования от нефтеперерабатывающих предприятий и соответственно высокая стоимость транспортировки сдерживают массовое применение технологий компостирования шламов.

С целью снижения затрат предлагается заменять природные добавки  материалами на основе шламовых отходов  нефтяного комплекса: осадками и  активными илами сооружений очистки  нефтесодержащих стоков, шламами  водоподготовки, золошлаками ТЭЦ НПЗ и др. Такие отходы имеют ресурсное, технологическое и генетическое сродство с обрабатываемыми нефтешламами и позволяют реализовать принцип "обработки подобного подобным [45].

Жизнедеятельность аэробной нефтеразрушающей микрофлоры приводит к биохимическому распаду углеводородов с выделением теплоты (явление термогенеза). При этом общая продолжительность разложения основной массы углеводородов в шламовых отходах в классических схемах составляет от 6 месяцев до 2 лет в зависимости от природных условий и способов интенсификации. Процесс компостирования нефтешламов описывается температурно-временной характеристикой [5, 6].

Компостирование нефтешламов по классической схеме сопровождается последовательной сменой температурных фаз.

Фаза нарастания температур является лимитирующей. Чем быстрее  процесс выйдет на термофильный режим  в диапазоне температур от 50 до 70 °С, тем быстрее произойдет биоразложение основной массы нефтепродуктов в шламах.

В компостируемых нефтеотходах процесс выхода на термофильную стадию длителен, иногда продолжается до полугода. Это связано с биоингибированием природной компостной микрофлоры токсичными углеводородами шламов. Например, биоразложение нефтепродуктов, осуществлявшееся по классической схеме без интенсификации, протекает не менее года.

Для интенсификации процесса в условиях жесткого метаболизма  рекомендуется проводить инокуляцию или вводить в шламовую смесь  стартовые дозы микроорганизмов, адаптированных к разложению нефтепродуктов. В качестве аборигенной микрофлоры-инокулятора предложено использовать осадки первичных отстойников и избыточный активный ил сооружений биологической очистки сточных вод НПЗ. При этом в компостируемый материал вносится дополнительный субстрат, содержащий доступные формы биогенных элементов.

Еще один из способов интенсификации биотермической обработки — управление аэрацией, размерами и формой штабелей компоста в зависимости от стадийности процесса. Например, на фазе роста температур с одновременной инокуляцией смеси стартовыми дозами адаптированной микрофлоры аэрация должна осуществляться в непрерывном режиме, а толщина слоя компоста, подвергаемого продувке, должна быть не более 1,5 — 2 м.

После подъема температуры  выше 50°С смесь из инокулируемых штабелей перемещают в высоконагружаемый кавальер высотой до 6 — 8 м, а аэрацию проводят периодически, контролируя динамику термогенеза и степень распада углеводородов. На этой фазе можно использовать компостируемый материал для производства экранов биологической рекультивации полигонов.

С выходом компостируемой смеси на стадию медленного падения  температуры полученный компост  переносят в бурт дозревания и  гуммификации.

 2.2 Метод On-site 

2.2.1 Мобильный биореактор

Мобильный вариант технологии биообезвреживания разработан для ликвидации экологических последствий, связанных с разливами нефти, нефтепродуктов и опасных жидких грузов на перегонах железных дорог, а также на близлежащих железнодорожных станциях, в местах пересечения нефтепроводов с железнодорожными путями и на нефтеперерабатывающих заводах и нефтебазах. Принципиальная технологическая схема мобильной установки, размещенной на железнодорожной платформе (рис. 2.2.1).

Установка состоит из модулей  и размещается на платформе.  Приемный бункер 1 предназначен для хранения и первичного подогрева загрязненного грунта в герметичных условиях. Культиватор – измельчитель 2 используется для измельчения грунта до размера 2...3 мм и подачи подогретого грунта в реактор. Биореактор 3 обеспечивает биообезвреживание грунта. Плуг 4 применяется в технологии для рыхления грунта и увеличения аэрации. Направляющая балка 5 используется для подвешивания плуга и его равномерного перемещения вдоль биореактора. Транспортер 6 применяется в технологии для выгрузки очищенного грунта из биореактора. Электрощит 7 –  для управления работой биореактора в автоматическом режиме. Смеситель–дозатор 8 — для получения раствора удобрений и микрофлоры в воде и орошения этим раствором грунта. Воздуходувка–нагреватель  9 — для подогрева воздуха и создания оптимальных температурных условий в биореакторе. Воздуходувка работает в замкнутом режиме с однократной сменой воздуха в биореакторе в сутки [3]. 
 

Рисунок 2.2.1 – Схема размещенного на железнодорожной платформе мобильного реактора микробиологического обезвреживания грунта, загрязненного нефтепродуктами: 1 — приемный бункер с подогревом; 2 —культиватор-измельчитель; 3 — биореактор; 4 — плуг; 5 — направляющая балка; 6 — платформа; 7 — смеситель-дозатор; 8 — воздуходувка-нагреватель.