Авторы: Сара МакМиллен, Росс Смарт и Рене Берне ChevronTexaco Energy Research & Technology Company Роб Хоффман ChevronTexaco Overseas Petroleum
Предисловие переводчика
Я взялся за перевод этой небольшой брошюры, так как она написана по итогам серъёзной и длительной по времени экспериментальной программы биологического обезвреживания нефтесодержащих отходов. Метод биологического обезвреживания довольно распространён и в России, однако отсутствуют достоверные данные об эффективности различных препаратов и технологий. Немногочисленные журнальные публикации, как правило, касаются “in vitro” экспериментов и не могут послужить основой принимаемых проектных решений. Данная брошюра может посполнить имеющийся пробел.
Проблемой перевода стало отсутствие русскоязычных аналогов терминов landfarming, landspreading и in-situ bioremediation. К последнему термину наиболее близок термин рекультивация почв, в отечественной практике она, как правило, производится непосредственно на месте разлива нефтепродуктов. Однако правильнее будет использовать слово рекультивация, как собирательное название всех трёх методов переработки. В этом варианте перевода термины оставлены “как есть”, без перевода. Я буду благодарен за любые советы, как адекватно перевести их на русский язык.
Резюме
ChevronTexaco начало исследовать биоремидиацию как один из вариантов переработки нефтесодержащих отходов и рекультивации участов разливов нефти в 1992 году. В 1993 ChevronTexaco начало применять полномасштабные операции биологического обезвреживания нефтесодержащих отходов в Колорадо. С тех пор ChevronTexaco очистило множество участков используя такие технологии биоремедиации, как компостирование и рекультивация и мы продолжаем использовать методы биоремедиации для переработки вновь образующихся нефтесодержащих отходов, образующихся при нашей производственной деятельности. ChevronTexaco успешно применяло биоремедиацию в различном климате и на удалённых площадках. В этом документе рассматриваются десять “извлечённых уроков” успешного применения биоремедиации. Это включает прогнозируемые результаты переработки, использование коммерческих биопрепаратов, как следить за эффективностью переработки, требуемое окружение, взаимодействие с контролирующими организациями , использование переработанных отходов, стоимость в зависимости от типа отходов и технологии и обучение персонала. Также мы обсудим, как определить когда биоремедиация хорошая возможность, а когда не очень хорошая и какова лучшая технология для конкретного участка.
Введение
Технология биологического обезвреживания - один из наиболее практичных и эффективных по стоимости методов обращения с нефтесодержащими отходами такими как донные нефтешламы, амбарные нефтешламы, буровые растворы и нефтезагрязнённые грунты с разливов нефти. Методы биологической переработки зависят от способности микроорганизмов перерабатывать нефтесодержащие отходы в безопасные продукты (диоксид углерода, воду и биомассу) посредством биохимических реакций. Наиболее часто используемые в нефтедобывающей промышленности методы биологической переработки включают: (1) компостирование (грядование, принудительная аэрация гряд, и пассивная аэрация гряд) и (2) рекультивация (подготовка почвы, засев почвы и обработка участка).
В процессе биологической переработки микроорганизмы разлагают углеводороды на воду, диоксид углерода и наращивание собственной биомассы. Бактерии и грибы ответственные за биодеструкцию требуют наличия кислорода, воды, питательных веществ и источника углерода (такого, как углерод находящийся в сырой нефти) чтобы развиваться. Методы биологической переработки широко используемые в нефтедобывающей промышленности включают компостирование и методы почвенной биоремедиации, такие как landfarming, landspreading и биологическая переработка на месте. Компостирование в реакторе, bio-slurry системы, вентилирование почвенного слоя и методы биоремедиации в насыщенном слое используются не столь широко из-за высокой стоимости (обычно > 100 долл./т) и/или из-за их ограниченной применимости к нефтесодержащим отходам нефтедобывающей промышленности и условий на участках переработки.
ChevronTexaco начало исследовать биоремедиацию как вариант переработки нефтесодержащих отходов и рекультивации участков разлива нефти в 1992 и продолжает успешно применять технологии биоремедиации по всему миру. В этом документе рассматриваются наши десять “извлечённых уроков” успешного использования биоремедиации.
Урок 1 - нет необходимости в специальных микробиологических препаратах
На рынке существует множество коммерческих бактериальных препаратов (обычно называемых “бактерии”) улучшающих биоремедиацию почв. Опубликованные результаты различных исследователей показывают, что эти препараты не улучшают биодеструкцию или конечное содержание углеводородов и прочих органических загрязнителей. Причина того, что бактериальные препараты не нужны для биоремедиации почв в том, что большинство почв уже содержит достаточную популяцию микроорганизмов для разложения неустойчивых загрязнителей. Например, почва содержит до 10 миллионов бактерий на грамм и существенная часть этих микроорганизмов способны разлагать углеводороды. Эта аборигенная популяция разлагающих углеводороды микроорганизмов будут “цвести” или увеличивать свою численность каждые 24-48 часов при наличии углеводородов. Культивация почвы, полив, поддержание благоприятного pH и добавка питательных веществ к почве позволяют создать благоприятные условия для микробов.
Рисунок 1 иллюстрирует типичные результаты опыта в котором популяция микроорганизмов увеличилась от 10 миллионов до 1 миллиарда на грамм почвы через пять дней после добавления сырой нефти при оптимальных условиях. Через 3 недели численность бактерий увеличилась до 4 миллиардов на грам почвы. Оптимизация среды для почвенных микроорганизмов подразумевает регулирование pH, внесение питательных веществ и аэрацию. Содержащиеся в почве микроорганизмы могут очень быстро размножаться и немедленно приступать к биодеградации углеводородов. Это подтверждается хорошей корреляцией между началом выделения CO2 от разложения нефти и быстрым увеличением популяции микроорганизмов.
Не любая сырая нефть поддаётся биодеструкции
Способность нефти разлагаться бактериями - один из наиболее важных параметров успеха или неудачи проекта биоремедиации земель. Молекулярная масса и структура примесей углеводородов влияет на их способность к биодеградации и состав углеводородов отражается в их плотности в градусах Американского нефтяного института (API). Таким образом, плотность в градусах API может использоваться как грубый индикатор способности сырой нефти к биодеградации. Например, сырая нефть имеющая плотность > 30 градусов API быстро разлагается, а сырая нефть с плотностью API < 20 градусов разлагается очень медленно. Следовательно, нефть с потностью < 20 градусов API может быть непригодна для landfarming. Выветривание, включая естественную деградацию, испарение и выщелачивание углеводородов могут существенно изменить их состав и уменьшить способность к биоразложению любых нефтесодержащих отходов.
Конечные точки биоремедиации (для полевых и лабораторных исследований) при максимальном уменьшении содержания нефти нанесены на график вместе с начальной плотностью в градусах API начальной сырой нефти на рисунке 1. Регресионный анализ показывает, что плотность в градусах API может использоваться для предсказания способности к биоразложению, имеется следующая эмпирическая зависимость: 2,24 * °API - 19,28 = максимальный % нефти, подвергшейся биодеструкции. R-square value для этой модели - 0,958.
Урок 3 - выбирайте лучший метод биодеструкции для своего участка
Следующие методы биологической переработки часто используются в нефтедобывающей промышленности:
Методы рекультивации, включая:
- landfarming
- landspreading
- in-situ biotreatment
Методы компостирования, включая:
- сбор в гряды
- принудительно аэрируемые гряды
- статически/пассивно аэрируемые гряды
Landspreading - это однократное внесение отходов в почву и оно главным образом ограничено небольшими проектами, где требуется переработка небольших количеств отходов недалеко от участков, где эти отходы образуются. In-situ биодеструкция также применяется в малых масштабах для обезвреживания участков разливов нефти непосредственно на месте. Технологии landfarming и компостирование напротив обычно применяются для обработки больших количеств непрерывно и в течение долгого образующихся отходов. Они обычно требуют специальных служб и долговременного управления, и поэтому их применение более дорогостояще. Landfarming отличается от landspreading и in-sutu биодеструкции тем, что на сооружениях landfarming отходы многократно вносятся в одну и ту же почву. Эти технологии успешно использовались для отходов бурения.
Компостирование подразумевает добавление структуруобразующих добавок и мелиорантов к нефтезагрязнённым грунтам или отходам. Структурообразующие добавки, такие как древесная стружка увеличивают проницаемость компостной смеси и помогают компостным грядам сохранять форму, не оседать со временем. Мелиоранты, такие как навоз или торф увеличивают способность компостной смеси удерживать влагу, а также вносят питательные вещества. На большинстве участков компостирования переработанный материал удаляется с участка перед тем, как начнётся переработка новой партии отхода. Участки компостирования способы переработать большие количества непрерывно образующихся отходов без потценциального риска аккумуляции не подверженных биодеструкции компонентов.
ChevronTexaco успешно использовало все вышеупомянутые технологии. Компостирование было успешно использовано, чтобы продлить сезон роста бактерий в холодном климате. Пока компостирование несколько сложнее в применении оно рекомендуется в следующих ситуациях:
- имеются органичения в площади занимаемых земель
- климат холодный и сезон размножения бактерий меньше чем три-четыре месяца
- почвенные условия очень плохие и не обеспечивают хорошей вегетации
- нужна быстрая биоремедиация для переработки больших количеств отходов в малое количество времени
- высокая концентрация нефти в отходах (> 20%)
- регулирующие органы установили ограничения по времени в достижении результатов переработки
- требуется контроль испарения летучих углеводородов
Landfarming рекомендуется в следующих ситуациях:
- доступны большие земельные площади
- груновые воды залегают очень глубоко или легко может быть возведён гидроизолирующий барьер
- начальные концентрации загрязняющих веществ в почве < 5%
- длительное время обезвреживания не является проблемой
Ключевые факторы в выборе технологии переработки это климат, требования регулирующих органов, время переработки и доступные земельные площади. Стоимость технологий обсуждается в последнем разделе этого документа.
Урок 4 - используйте местное оборудование и добавки
Опыт показывает, что один из основных способов уменьшить стоимость биоремедиации это уменьшение транспортных издержек благодаря использованию имеющихся в районе работ оборудования и добавок, когда это возможно. Имеющееся в районе производства работ сельскохозяйственное оборудование вполне пригодно для рекультивации земель (in-situ, landspreading или landfarming). Иногда заказывалось специализированное оборудование, такое как кантователи компоста, тем не менее, на удалённых участках ChevronTexaco успешно применяло биоремедиацию отходов исползуя фронтальные погрузчики для подъёма, перемешивания и аэрации компоста. Специализированное оборудование на удалённых участках может стать проблемой, если остутствует способный или обученный персонал для его использования. Стомость местного оборудования, специализированного оборудования и труда должны быть тщательно проанализированы прежде, чем заказывать оборудование.
Удобрения мочевина (карбамид), фосфат аммония, или двойной суперфосфат имеются в большинстве стран и в Северной Америке они могут быть закуплены в местном питомнике или в магазине торгующем товарами для сада. Маслорастворимые удобрения и медленнодействующие удобрения усиленно рекламируются, как обеспечивающие отличный темп биодеструкции, ???. Эти типы удобрений полезны для улучшенной биодеструкции вдоль побережья после разливов нефти, так как там имеется приоритет в уменьшении токсичности и количества азота, поступающего в воду, тем не менее, в большинстве случаев в них нет необходиомости при рекультивации земель.
Урок 5 - используйте основанные на анализе риска конечные точки для определения “насколько чистым должно быть чистое”
Требования к содержанию нефтепродуктов в почве в Северной Америке существенно различаются в разных штатах, от 100 до 10 000 мг/кг. Некоторые штаты (такие как Техас, Колорадо, Вайоминг и Нью Мексико) ввели некоторые общие концепции оценки риска для определения допустимого предела содержания нефтепродуктов для определения конкретных условий для каждого участка, таких как глубина залегания грунтовых вод и близость к заселённым районам. American Petroleum Industry рекомендовал использовать критерий 1,0% нефтепродуктов в почве, но в настоящее время рекомендует использовать основанные на риске оценки определения требуемого уровня очистки.
Урок 6 - питательные вещества должны быть водорастворимыми
Питательные вещества содержащие азот и фосфор нужны для увеличения скорости биодеструкции углеводородов в почве. Сырая нефть содержит приблизительно 15% водорода и 85% углерода которые могут быть использованы бактериями как источник пищи. Метаболизм микроорганизмов будет оптимальным, если углерод в почве сбалансирован нужным количеством азота и фосфора.
Помимо основных питательных веществ (азота и фосфатов), имеются второстипенные питательные вещества (такие как калий и сера) и микроэлементы (такие как железо и цинк). В большинстве почв азот и фосфор будут веществами, лимитирующими процесс биодеструкции. Добавка необходимых питательных веществ может быть выполнена путём внесения сельскохозяйственных удобрений для снабжения азотом и фосфором. Удобрения могут закупаться в местных питомниках или магазинах “Всё для сада”.
Мочевина, хлорид аммония (NH4Cl и аммоний нитрат (NH4NO3 наиболее распространённые виды сельскохозяйственных азотных удобрений. Тем не менее, мочивина и нитрат аммония дают наилучшие результаты в сочетании с хлоридом аммония и мочевина исползуется наиболее часто, так как она наиболее дёшева, её стоимость от 0,20 до 0,30 долларов за фунт.
Суперфосфат (0-18-0) и двойной суперфосфат (0-45-0) наиболее часто используемые виды фосфорных удобрений, фосфат аммония также может использоваться в некоторых районах. Двойной суперфосфат наименее дорогой вид этих удобрений, его стоимость около 0,50 долларов за фунт.
Литература по биоремедиации наиболее часто рекомендует добавлять удобрения в пропорции, зависящей от соотношения количества углерода (в сырой нефти) к азоту и фосфору. Оптимальное соотношение этих лементов обычно указывается как 100:10:1 (т.е. 100 частей углерода [C] к десяти частям азота [N] и одной части фосфора [P]). Тем не менее, редко приходится добавлять общее количество фосфора и азота рекомендуемое этим соотношением C:N:P потому что питательные вещества возвращаются в природный круговорот после гибели микроорганизмов. Добавление большего количества азота, чем 100/10 = C/N, особенно единовременно, может оказать токсическое действие на бактерий и прочих обитающих в почве организмов.
Концентрация азота и фосфора в почве должна контролироваться путём измерения их содержания в водной вытяжке из почвы. Основываясь на лабораторных и полевых исследованиях оптимальные результаты биодеструкции достигаются при содержании азота в почве от 250 до 500 ppm, как показана на рисунке 4. Как малое количество азота (20 - 50 ppm), так и большое количество (> 1000 ppm) приводят к менее оптимальным результатам. Оптимальная концентрация фосфатов обычно 1/2 от содержания азота, или от 125 до 250 ppm. Растворимость фосфора может быть ограничена, если присутствует большое количество кальция, так как фосфат кальция малорастворим в воде. ???
Урок 7 - методы мониторинга
Существует большое количество методов мониторинга содержания углеводородов. Газовая хроматография, газовая хроматография/газовая спектрометрия могут быть использованы для выявления детального состава углеводородов. Грубый анализ общего содержания нефтяных углеводородов (TPH - total petroleum hydrocarbons) может быть выполнен по методикам USEPA (американского агенства охраны окружающей среды) 418.1 (TPH методом инфракрасной спектрометрии) или 413.1 (гравиметрическое измерения масла и жира). Тем не менее, для мониторинга процесса подходят полевые измерительные приборы, недорогие, надёжные и дающие результат через 5 - 20 минут.
Урок 8 - обучение персонала
Опыт показывает, что обучение всего полевого персонала вовлечённого в процесс биологической переработки, так что каждый понимает как процесс работает и каковы цели проекта, наиболее целесообразно. Обучение обычно занимает от 1/3 дня до 3 дней для всего персонала. Обучение включает основы процесса биоремедиации (в том числе, что такое микроорганизмы), когда проводить мониторинг, как использовать полевые измерительные приборы, цели добавления удобрений и культивации среды. Когда это возможно, обучение должно быть проведено на участке, где начинается процесс рекультивации. Всем членам коллектива следует объяснить, зачем они выполняют конкретные операции. Погружение в технологию и операции и график технического обслуживания весьма важны для успеха проекта. Обучающие материалы по биоремедиации были переведены на русский и индонезийский языки для использования на производственных участках ChevronTexaco.
Урок 9 - возможности повторного исползования
Биологически обезвреженные отходы часто оказываются превосходными улучшителями почв и могут использоваться для восстановления и рекультивации участков. нарушенных строительством буровых площадок.
P.S. Спустя 15 лет у меня есть претензии к качеству перевода. Но само исследование по-прежнему одно из наиболее качественных исследований по теме биологической рекультивации почв от нефтеразливов.
