Использование отходов пивоварения для очистки почв, загрязненных нефтепродуктами

Ефремов А.А.

_В последние несколько десятилетий были значительно развиты и улучшены методы биологической рекультивации, позволяющие очистить почвы, загрязненные опасными веществами. Одной из наиболее распространенных технологий биологической очистки является стимулирование естественной способности микроорганизмов разлагать загрязняющие вещества, что способствует оптимизации условий для микробного разложения углеводородов (наличие и доступность питательных веществ, воды и кислорода, рН, температуру и т.д.) . Для улучшения естественной способности почвенных микроорганизмов расщеплять углеводороды нефти предложены и исследованы многие методы, такие, как: рыхление, вспашка, боронование или дискование; орошение; известкование или гипсование; внесение минеральных и органических удобрений, поверхностно-активных веществ, ферментов или косубстратов; внесение структурообразователей (наполнителей) ; фитомелиоративные мероприятия и др. .

Биостимулирование является одним из наиболее предпочтительных методов рекультивации почвы, загрязненной нефтью и продуктами ее переработки, благодаря возможности локализации загрязнителя и ускоренному восстановлению плодородия почвы в целом, относительно низкой себестоимости и экологической безопасности. Активация местных микробных популяций часто используется для очистки отдаленных территорий, так как для ее осуществления требуется минимум оборудования. В некоторых случаях, например при больших масштабах загрязнения, стимулирование аборигенных микроорганизмов почвы является единственно возможной технологией рекультивации.

В ходе полевых экспериментов было изучено влияние пивной дробины и отработанного кизельгура на состав и степень удаления углеводородов из загрязненной нефтью черноземной почвы.

Материалы и методы исследований. В исследованиях использовали чернозем оподзоленный 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; содержание гумуса — 7,4 %, общая влагоемкость — 63,1 % . При проведении исследования применяли 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 %. Химический состав солодовой дробины и осадка кизельгура изучали рентгеноспектральным методом на рентгенофлуоресцентном спектрометре Shimadzu EDX-800HS (Япония). Содержание химических элементов в сухой пивной дробине и осадке кизельгура представлено в табл. 1, а в золе отходов пивоварения — в табл. 2. Содержание золы составляет 3,85±0,13 % массы сухой дробины и 75,27+2,64 % массы сухого осадка кизельгура. В работе использовали высокосернистую средней плотности нефть (ГОСТ Р 51858-2002), полученную на ОАО "Оренбургнефть".

Эксперимент проводили в полевых условиях в Самарской области на делянках размером 1 м² в трехкратной повторности в течение мая — сентября 2010 г. На поверхность почвы наносили нефть в массовой концентрации 10 кг/м², а затем — пивную дробину и отработанный кизельгур, смешанные в соотношении 1:1, в количестве 10 кг/м² в пересчете на сухую дробину и кизельгур и перекапывали. Контрольным об разцом служила почва, загрязненная нефтью в массовом соотношении 10 кг/м² путем внесения её и перекапывания. Отбор и подготовку проб из слоев почвы 0 - 5 см и 5 - 20 см (ГОСТ 17.4А02-84) проводили через 0,5, 1, 2, 3, 4 и 5 мес. В отобранных пробах определяли содержание нефти методом колоночной хроматографии с УФ-спектрофотомет-рическим окончанием [6, 7| в модификации авторов.

Для определения суммарного содержания углеводородов пробу почвы тщательно очищали от корней, просеивали через сито с отверстиями диаметром I мм, высушивали на воздухе до воздушно-сухого состояния при комнатной температуре (в отсутствие солнечных лучей). Затем отбирали 20 г почвы и проводили экстракцию 200 мл гексана в аппарате Сокслета в течение 40 — 120 мин в зависимости от предполагаемого содержания нефти в почве. Гексан отгоняли на ротационном вакуумном испарителе при температуре 70 °С и давлении вакуума 2 атм досуха. Осадок нефтепродуктов растворяли в 15 — 20 мл гексана и переносили в мерную колбу объемом 25 мл. Объем пробы доводили чистым гексаном до метки. Полученный экстракт очищали от полярных соединений, не относящихся к нефтепродуктам, методом колоночной хроматографии. Для этого по 3 мл полученной пробы пропускали через стеклянную колонку диаметром 1 см, содержащую 3 см³ оксида алюминия, колонку промывали 6 мл чистого гексана. Объем очищенного экстракта доводили До 10 мл. Спектры поглощения углеводородов в ультрафиолетовой области спектра (диапазон длин волн 200 — 400 нм) получали на двулучевом спектрофотометре Shumadzu UY-1700 (Япония) в кюветах толщиной 10 мм, содержащих по 3 мл исследуемого раствора. Суммарное содержание углеводородов определяли по калибровочной кривой, построенной по результатам 'анализа серии стандартных растворов, полученных при последовательном разбавлении и очистке на хроматографической колонке исходной нефти, вносимой в почву. Суммарное содержание нефтяных углеводородов пересчитывали на 1 г сухой почвы.

Результаты исследований и их обсуждение. В ходе модельных полевых исследований установлено, что внесение отходов пивоварения ускоряет процесс удаления углеводородов из нефтезагрязненной почвы, причем на протяжении первых пятнадцати суток эксперимента степень удаления углеводородов в почве с добавлением кизельгурового ила сопоставима с контролем (рис. 1). В течение следующих месяцев степень удаления углеводородов в почве, содержащей смесь пивной дробины и отработанного кизельгура, все интенсивнее начинает превышать контрольные показатели. На протяжении всего периода наблюдений происходит постепенное удаление углеводородов из загрязненной нефтью почвы с добавлением отработанного кизельгура, при этом содержание нефтепродуктов уменьшается на 14,5 — 14,8 %. Анализ спектров поглоения углеводородов, выделенных из нефтезагрязнёной почвы, содержащей пивную дробину и отработанный кизельгур (рис. 2), показал, что в течение эксперимента в почве уменьшается содержание углеводородов, имеющих максимумы поглощения в области длин волн более 270 нм. Согласно данным Тиличеева], к ним относятся углеводороды, содержащие конденсированную систему из более чем одного бензольного кольца, а также ненасыщенные углеводороды с более чем тремя сопряженными двойными связями. При этом уменьшается содержание ненасыщенных углеводородов с более чем двумя сопряжёнными двойными связями, имеющих максимумы поглощения в интервале длин волн 230 — 270 нм. Таким образом, внесение отходов пивоварения позволило удалить из почвы канцерогенные соединения, очень опасные для биосистемы.

Твердые вещества биологического происхождения (например, пивная дробина и отработанный кизельгур) являются перспективными источниками питательных веществ для микроорганизмов, участвующих в процессе биологической очистки. Однако имеется достаточно мало сведений о возможности их использования для того, чтобы усилить разложение углеводородов в загрязненных почвах. 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 следующие: низкая цена (или возможность бесплатного получения), доступность, медленный выпуск питательных веществ и, следовательно, минимальная возможность дополнительного загрязнения экосистемы химическими веществами (как в случае использования минеральных удобрений) .

В результате проведенных полевых исследований установлено, что пивная дробина и отработанный кизельгур, являющиеся основными отходами пивоваренной промышленности, ускоряют очистку почвы, загрязненной сырой нефтью. Их применение уменьшает концентрацию полициклических углеводородов, содержащих более двух ароматических колец, и ненасыщенных углеводородов, имеющих более двух и трех сопряженных двойных связей. Отходы пивоваренной промышленности стимулируют удаление углеводородов и могут применяться для очистки нефтезагрязненной черноземной почвы.

Таблица 1

Таблица 2

Рисунок 1

Рисунок 2