Исследование интенсификации биоразложения отходов бурения в шламовых амбарах путем их обработки активным илом

В настоящее время на территории ХМАО в результате интенсивного антропогенного воздействия наблюдается сильное ухудшение экологического состояния природной среды

Это в частности, связано с разработкой нефтяных месторождений, где одной из важнейших проблем являются рекультивации буровых площадок - прежде всего ликвидация шламовых амбаров.

Как известно, подавляющая часть загрязнений экосистем ХМАО связана с нефтью и её производными. Нефть и продукты её переработки попадают в окружающую среду при бурении и фонтанировании из разведочных скважин, при авариях транспортных средств, при порывах нефти - и продуктов, при нарушениях герметичности колоны в скважинах и технологического оборудования при сборе неочищенных промысловых сточных вод. Подсчитано, что в среднем при одном порыве нефтепровода выбрасывается 2 тонны нефти, приводящей в негодность

1000 м[2] земной поверхности, а порывы в целом на территории ХМАО происходят статически ежедневно. Естественно, такие масштабы загрязнения не могут не отражаться на состоянии природных экосистем. Учитывая то, что в шламовых амбарах содержится большое количество загрязняющих веществ, ликвидация амбаров по завершению буровых работ по ныне существующей схеме захоронения отходов, приводит к загрязнению природной среды (почвы, грунтовых вод, водных объектов). Естественные процессы ликвидации нарушений в экологических системах Севера происходят достаточно медленно, что в первую очередь связано с коротким вегетативным периодом, в котором происходит активная жизнедеятельность растений и микроорганизмов - основных утилизаторов продуктов загрязнения. Так для самоочищения шламового амбара требуется срок от 5 до 9 лет в зависимости от степени его загрязнения, чем севернее расположена территория региона, тем длиннее срок.

Поэтому, в своем исследовании, мы попытались решить данную проблему, проблему интенсификации процессов биоразложения отходов бурения шламовых амбарах, путем их обработки активным илом.

Данная проблема неоднократно рассматривалась специалистами экологических отделов, молодыми специалистами нефтедобывающих предприятий. Ими был разработан метод очистки нефтезагрязнений водорослями и другими дорогостоящими материалами, но наш метод заключается в том, чтобы провести очистку нефтезагрязнений более дешевым способом с помощью активного ила, который встречается на предприятиях нефтегазодобывающего управления ПРАВДИНСКНЕФТЬ.

Цель моей статьи: определить возможность применения активного ила для интенсификации процессов биоразложения содержимого шламовых амбаров, а также возможность использования необходимых добавок, способствующих адаптации активного ила к среде.

Данная цель конкретизируется в следующих задачах:

- Изучить состав активного ила

- Дать характеристику активному илу

- Выявить адаптацию ила к токсинам

- Провести лабораторные исследования и на их основе сделать выводы.

Гипотеза: Если использовать активный ил для процессов биоразложения, то вредное воздействие на окружающую среду должно уменьшатся, в результате переработки активным илом вредных включений.

Активный ил и его применение

Использование активного ила в мировой практике, в том числе в нашей стране, имеет большое значение при очистке самых различных по специфике загрязнения промышленных и хозяйственно-бытовых стоков.

Для очистки сточных вод широко используются два типа биологических процессов: аэробные процессы, в которых микроорганизмы используют кислород, растворённый в сточной воде; анаэробные процессы, в которых микроорганизмы не имеют доступа ни к свободному кислороду, ни к другим, предпочтительным в энергетическом отношении, акцепторам электронов. В этих условиях микроорганизмы могут использовать углерод, входящий в состав органических молекул, в качестве акцептора электронов.

При выборе между аэробными и анаэробными процессами обычно склоняются в сторону первых, так как эти системы признаны более надёжными, стабильными и лучше изученными. Однако анаэробные процессы имеют несколько несомненных преимуществ. Во-первых, в анаэробных процессах образуется на порядок меньше активного ила на каждую удельную единицу БПК. Во-вторых, аэрацию в аэробных процессах энергетические затраты превышают потребность в энергии на перемешивание при анаэробных процессах. Главный недостаток анаэробных систем

- меньшая скорость реакции по сравнению с аэробными процессами. Развитие быстрых анаэробных процессов требует оптимизации условий анаэробной биодеградации и высокой концентрации активной биомассы.

Характеристика активного ила

Активный ил имеет в основном бактериальную природу, что обуславливает высокое содержание в нём белковых веществ, аминокислот, микроэлементов и витаминов группы В. Кроме этого в его состав могут входить одноклеточные организмы (инфузории и другие), дрожи. Это симбиотическое сообщество, благодаря тому, что оно может менять используемые им пути ферментации, функционирует как саморегулирующая система, поддерживающая рН, окислительно-восстановительного потенциала и термодинамическое равновесие для роста, следовательно, обеспечивающая стабильность сбраживания.

По своим пищевым потребностям эти бактерии могут быть разделены на три обширные группы. Первая включает гидролитические бактерии, так как они обеспечивают начальный гидролиз субстрата до низкомолекулярных органических кислот и других малых молекул. Вторая группа представляет гетероацетогенные бактерии, которые продуцируют уксусную кислоту и водород. Третья группа - это метаногенные бактерии, которые продуцируют метан.

Синергетические эффекты (усиление действия), происходящие при сосуществовании этих групп, могут быть объяснены совместным культивированием и возникают в результате взаимодействия типа межвидового переноса водорода.

Субстраты, содержащие серу и азот, могут вызывать рост ещё дополнительных групп сульфатредуктирующих бактерий и денитрифакаторов.

Адаптация активного ила к токсинам

Адаптация микроорганизмов активного ила, как правило, сопровождается продолжительной задержкой их роста, после которой он возобновляется. Культура может достигать нормального роста только при условии, что энергия (активный транспорт избытка ионов из клеток; продуцирование внеклеточных белков, поли и липосахаридов, способствующих детоксикации) не расходуется на процесс адаптации. Методы адаптации варьируют от обработки биомассы токсинами до тонких изменений в клеточной стенке, цитоплазме, ферментах и геноме микроорганизмов.

Кроме того, микроорганизмы могут продуцировать внеклеточные связанные белки, пассировать токсины в цитоплазмических вакуолях или гранулах.

Неспецифические внеклеточные связанное связывание токсинов такими компонентами клеточной стенки, полисахариды и липосахариды, также способствуют детоксикации.

Скорость адаптации микроорганизмов зависит от таких основных факторов:

-масса микроорганизмов в активном иле, особенно в таких случаях, как детоксикация за счёт полисахаридов; субстратные взаимодействия - наличие антагонизма и синергизма ионами, образование нерастворимых осадков в виде карбонатов, гидроксинов и т. д.

рН должно быть оптимальным, то есть в пределах значения 7; видовой состав микроорганизмов - недостаточное разнообразие снижает способность сопротивляться и адаптироваться к токсинам.

Преодоление токсичности микроорганизмами

Преодоление токсичности микроорганизмами, содержащимися в активном иле, имеет первостепенное значение для обеспечения оптимального процесса биоразложения загрязняющих веществ.

Токсичность загрязнённой водной среды определяется концентрацией солей, аммиака, серы, тяжёлых металлов, органических соединений - фенолы, нефтепродуктами и прочими веществами. Действие многих из них обратимо. Можно использовать несколько методик для преодоления токсичности:

Добавление антагонистов - веществ снижающих уровень токсичности выявленных токсинов (например, антагонисты магния - кобальт, никель, марганец, железо; антагонисты большинства тяжёлых металлов - цинк и калий в небольших концентрациях; натрия - соли калия даже в малых дозах).

Осаждение некоторых токсинов виде нерастворимых соединений. Например, соли тяжёлых металлов могут быть осаждены в виде хлоридов (ртуть, свинец) или сульфидов и карбонатов.

Адсорбция токсинов, например, активным углём. Избыток токсинов адсорбируется в порах активного угля, что снижает мгновенную токсическую нагрузку на культуру.

В последствии эти токсины становятся доступны для медленной деградации толерантными или адаптировавшимися микроорганизмами.

ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Основания для проведения лабораторных исследований

Согласно литературных данных в мировой практике активный ил применяется на специально оборудованных очистных сооружений. В зависимости от используемого типа биологических процессов (аэробные или анаэробные), применяется та или иная технология, обеспечивающая оптимальные условия утилизации промышленно-бытовых отходов. Для всех существующих технологий необходима предварительная подготовка сточной воды. Для аэробных процессов необходима постоянная аэрация активного ила. Анаэробные процессы требуют постоянного перешивания активного ила.

Спецификой использования активного ила на очистных сооружениях является:

1. Необходимость периодического восстановления активного ила.

Поддержание динамического равновесия состояния среды по водородному показателю (рН).

Непрерывная ферментация с подачей твердого сырья.

Необходимость предварительных лабораторных исследований вызвана также и тем, что в настоящее время отсутствуют работы по использованию активного ила вне специальных очистных сооружений, в том числе и для интенсификации биоразложения содержимого шламовых амбаров с целью ускорения их рекультивации.

Кроме того, содержимое жидкой фазы шламовых амбаров отличается от промышленно- бытовых стоков более высоким содержанием минеральных веществ, нефтепродуктов. Для большинства шламовых амбаров свойственна щелочная среда содержимого жидкой фазы

(рН > 9-11), в то время как для оптимального функционирования активного ила требуется нейтральная или близкая к ней, среда.

Исходя из выше изложенного, целью предварительных исследований была необходимость, прежде всего, определить возможность применения активного ила для интенсификации процессов биоразложения содержимого шламовых амбаров, а также возможность использования необходимых добавок способствующих адаптации активного ила к среде содержимого шламового амбара.

Проведение лабораторных исследований Лабораторные исследования проводились:

Для предварительной оценки возможности использования активного ила для интенсификации биоразложения вредных веществ воздержания в шламовых амбарах.

Для определения необходимой минимальной дозы активного ила, обеспечивающей оптимальный процесс биоразложения.

Для определения основных токсикологических характеристик жидкой фазы выбранного для дальнейших испытаний активного ила в полевых условиях.

Для подбора, при необходимости, добавок, снижающих токсичность вредных отходов шламового амбара.

Для разработки на основе полученных лабораторных данных <<Программы испытания активного ила>>, а также контроля над изменением показателей, как критерия эффективности активного ила в качестве интенсификатора биоразложения вредных отходов шламовых амбаров без применения специальных установок, используемых на очистных сооружениях.

Лабораторные исследования действия активного ила на жидкую фазу шламового котлована

На начальном этапе были проведены исследования действия активного ила на пробах моделирующих содержимое жидкой фазы шламовых амбаров, с учётом применяемых буровых растворов.

Опыты проводились с использованием различных процентных концентраций активного ила одновременно: 5, 10, 15, 20 % %, чтобы определить оптимальное количество активного ила. Использовали как отработанный ил, так и восстановленный активный ил.

Контроль интенсивности воздействия активного ила, исследуемой пробы в начальном, промежуточном этапах и по завершении опытов проводился токсикологический анализ по определению изменения токсичности проб, в том числе - содержание кислорода, водородный показатель (рН).

Для определения изменения активного ила и адаптации его к воздействию исследуемых проб, а также с целью определения необходимых минеральных добавок для снятия интоксикации активного ила проверялась общая дегидрогеназная активность ила.

В результате лабораторных исследований на пробах моделирующих содержимое жидкой фазы шламового амбара с использованием различной концентрации активного ила, вносимого в пробу, было установлено следующее:

1. При низком содержании или полном отсутствии нефтепродуктов процесс адаптации микроорганизмов активного ила к среде происходил относительно быстро и при концентрациях активного ила 5 - 10%% составлял оптимум. Через 7 дней от начала было отмечено достоверное отличие уровня токсичности по сравнению и исходной пробой. При этом было отмечено смещение реакции среды к значениям близким нейтральным. При проведении токсикологического анализа ещё через 7 дней ЛДр 50 ~ 2. 4 при этом в начальной пробе (до обработки её активным илом) ЛДр 50 = 8. 6, то есть - необходимое разбавление проб до уровня летательной дозы вызывающей гибель 50% особей в опыте равнялось 2. 4 и 8. 6 раз соответственно. Через 21 день после начала опыта показатели ЛДр 50 соответствовал требованиям установленным РД 118-02090: ЛДр 50 = 0, а Лдр 0 = 2. 1 (ЛДр 0 - летальная доза разбавления пробы, при которой не происходит гибели тестируемых организмов), что указывает на наличие остаточного токсического действия содержимого пробы, выше порога чувствительности тест - объекта. Последний токсикологический анализ (через 28 дней от начала опыта) показал полное отсутствие токсичности в остром опыте.

2. При проведении опытов с высоким содержанием нефтепродуктов (300 мг/л) процесс адаптации микроорганизмов шёл несколько замедленней на первом этапе, то есть без достоверных изменений токсикологических показателей. В тоже время показатель, как и в первом опыте, сместился к нейтральным значениям. На 7 день после начала опыта показатель ЛДр 50 = 487 при 510 до начала закладки активного ила в пробу. При этом существенной зависимости изменения токсикологических показателей от концентрации, вносимого в пробу активного ила не наблюдалось. Незначительные изменения произошли через 14 дней - ЛДр 50 = 439, то есть почти на 14% от исходной пробы. После 21 дня проведения опыта произошло значительное снижение токсичности исследуемой пробы - ЛДр 50 = 205, то есть более чем в 2 раза. Это говорит о том, что процесс адаптации микроорганизмов проходит нормально. Результаты анализов после 28-дневного опыта показывают полную адаптацию микроорганизмов и нормализацию процесса биоразложения: ЛДр 50 = 48, что составило снижение предыдущего уровня токсичности пробы более чем в 4. 5 раза. Приблизительно такой темп снижения токсичности продолжался в течение следующих 14 дней и после 42 дней проведения опыта он достиг значения ЛДр = 2. 8, то есть приблизительно того, которое в первом опыте было получено через 14 дней. Через следующие 7 дней было отмечено отсутствие острой токсичности исследуемой пробы. Для полного снятия токсичности требовалось разбавление пробы в 2. 3 раза. Результаты последнего токсиклогического анализа показали полное отсутствие токсичности пробы в остром опыте. Данный опыт длился 56 дней, то есть в два раза дольше первого.

В опытах проводимых параллельно с первыми двумя, с применением незначительных добавок активного угля (в пределах >/ 0. 1 %), было установлено, что процесс адаптации микроорганизмов активного ила, а соответственно и снижение уровней токсичности, идёт значительно интенсивней на первых этапах. При этом срок детоксикации исследуемой пробы сокращается до 25% и выше.

Токсикологический контроль

Для токсикологического контроля использовались методы токсикологического биотестирования согласно <<Методического руководства по биотестированию воды>> РД-118-02-90, утверждённого Госкомприродой СССР. Эти методы используются для биотестирования промышленных, бытовых, сельскохозяйственных и прочих стоков, котлованов и отстойников, а также естественных водных объектов подвергающихся антропогенному загрязнению. Основным тест - объектом являются ракообразные - Daphnia magna и другие. Как дополнительные используются - наиболее чувствительные виды рыб, зелёные кокковые водоросли (Scenedesmus или Chlorela), а также другие живые организмы.

Токсикологический контроль проводился для определения изменений острой токсичности содержимого шламового амбара под воздействием активного ила. Проба считается остро токсичной, если в остром опыте погибает 50 % и более тест - объектов, т. е. водных организмов используемых для токсикологического биотестирования. Наличие острой токсичности говорит о недопустимости сброса вредных отходов в естественные водоёмы или на рельеф.

Для определений уровней острой токсичности применяли метод разбавления исходной пробы в кратностях 2, 4, 8, 16 и т. д. Определялись степени разбавления, при которых уровень токсичности равнялся 50% выживаемости тест - объектов (летальная концентрация разбавления ЛКр-50) и 0% (ЛКр-0) соответственно.

Пробы, отобранные, для токсикологического исследования пред началом проведения анализов подвергались фильтрации и последующей аэрации (продувки воздухом не менее 30 минут). В исследованиях использовалось 3 тест - объекта.

В ходе исследований было установлено следующее:

-перед закладкой активного ила в шламовой амбар ЛКр-50 51, а ЛКр-о - 297 соответственно раз разбавлений для дафний, для одноклеточных зелёных водорослей эти показатели были следующими - ЛКр-50 = 19,ЛКр-о = 38, а для рыб ЛКр-50 = 13 и ЛКр-о = 24 раза разбавления исходной пробы.

- через две недели уровень острой токсичности снизился приблизительно на 10 % ; анализ следующей пробы показал постепенное снижение токсичности можно отметить в 5 пробе при биотестировании, прежде всего для рыб.

в последней пробе, отобранной после 84 дня от момента закладки активного ила в шламовой амбар, отмечено отсутствие острой токсичности для рыб и водорослей, и незначительный уровень острой токсичности для дафний (ЛКр-50-2,3 и ЛКр-о = 10), а также остаточной токсичности для водорослей.

1. Основные выводы и рекомендации

Из результатов испытаний можно сделать следующие выводы и рекомендации:

Активный ил может быть использован для интенсификации биоразложения отходов шламовых амбаров с их последующей рекультивацией в значительно более короткие сроки после завершения строительства скважин.

Закладка активного ила должна производиться в начале лета при плюсовых температурах в течение суток (оптимум +10 градусов Цельсия).

Для обеспечения эффективности действия активного ила необходимо:

а)произвести продувку воздухом жидкой фазы шламового амбара после закладки активного ила в течение 10 -24 часов; б)в дальнейшем производить продувку 1-2 раза в неделю по 5-10 часов или производить перемешивание активного ила 1-2 раза в неделю не менее.

в) при высоком содержании минеральных и органических загрязняющих веществ, перед закладкой необходимо произвести добавку активированного угля (>/ 0,1 %/л от объёма шламового амбара).

4. Для получения полной картины интенсификации биоразложения содержимого шламового амбара с использованием активного ила необходимо провести дополнительные исследования, связанные с ниже перечисленными причинами: а)применение различных типов буровых растворов; б)отличие в литогическом строении геологического разреза, слагающего месторождения; в)различие биологических и гидрохимических характеристик активного ила на равных сооружениях биологической очистки (разный микробиологический состав, температурный режим, используемый процесс - анаэробный или аэробный, и другие); д) различные климатические условия.