Влияние соотношения грунт/разрыхлитель на скорость и глубину разложения нефтепродуктов

Процесс биодеградации нефтепродуктов в замазученных материалах является аэробным. Ферментативный аппарат нефтеразрушающих микроорганизмов активного ила, при контакте с кислородом воздуха за счет сложных биохимических реакций способствует разложению нефтепродуктов до углекислого газа, воды и других продуктов.

    Очевидно, следует предположить, что чем выше пористость замазученного материала, тем интенсивнее протекает воздухообмен в системе, и тем больше степень распада нефтепродуктов. В естественных условиях порозность почвы (черноземы и легкие суглинки) лежит в пределах 15 – 25 %. При аварийном разливе нефтепродуктов и их инфильтрации в почвенное тело, наряду с ингибированием почвенной микрофлоры, происходит наполнение межпорового пространства нефтяной пленкой, и как следствие – слипание частиц грунта. При этом порозность почвы снижается до 3 – 8%. В таких условиях диффузия кислорода в почву или замазученный грунт, а также удаление продуктов метаболизма из штабеля затруднены, и аэробы ила не приживаются.

    При наблюдении за образцами замазученных грунтов, в которые был введен активный ил было отмечено, что с течением времени концентрация нефтепродуктов в почве падает. В контрольных образцах без активного ила концентрация углеводородов оставалась практически неизменной.

Процесс разложения нефтепродуктов в почвенном теле под действием активного ила можно выразить брутто-уравнением:

2СnН2n+2  + (3n + 1) O2 = 2n CO2 + (2n + 2) H2O

    Анализ уравнения показывает деструкция углеводородов в почве является гетерогенной и гетерофазной, и соответственно, во многом будет определяться массообменными процессами. К сожалению, вопрос о создании имитационной модели почвенного тела ставить пока преждевременно. Непреодолимые препятствия здесь создает фрагментарность сведений о почве, сложность и малоизученность ее концентрационной динамики. В этой связи следует ограничиться попыткой эвристического понимания модели почвы, которая позволит подойти к исследованиям главных закономерностей процессов трансформации органического вещества в почве.

    При построении такой системы понимания предполагается, что:

–      наибольшая концентрация органического вещества, как в не загрязненной почве, так и в нарушенной, обнаруживается в поверхностном слое малой толщины, от которого берет начало трофическая цепь, уходящая в глубину (в случае ели микроорганизмы не погибли в результате аварии);

–      распределение органики по глубине немонотонно и варьирует как в пространстве, так и во времени;

–      в деструкционном (катаболическом) процессе имеются как биологические, так и физико-химические стадии, в частности ферментативные реакции и перенос с гидродинамическими потоками [64 – 66]. 

Принципиальной задачей при разработке технологии биодеструкции замазученных грунтов является интенсификации как химических, так и физических стадий процесса в рамках вышеперечисленных представлений. Массообмен между порами и окружающей средой в почвенном теле перед внесением стартовой дозы активного ила можно улучшить за счет искусственного увеличения порозности слоя в образцах. Этого можно достичь путем внесения разрыхляющих добавок, например отходов деревообработки, растительных отходов и др. В этом случае порозность замазученного грунта возрастает в несколько раз, что способствует переработке нефтепродуктов микрофлорой активного ила.

    Как было предположено ранее, а затем подтвердилось экспериментально – степень разложения нефтепродуктов в образцах возрастает симбатно увеличению содержания разрыхлителя. Ниже приведены экспериментальные данные по разложению нефтепродуктов под действием активного ила (220 ± 10 мг/кг) в системах с различным содержанием разрыхлителя. Начальная концентрация нефтепродуктов ([УВ]0) в образцах составляла 2700 ±100 мг/кг.  

Как видно из приведенных экспериментальных данных, чем больше порозность образца почвы, тем выше интенсивность распада нефтепродуктов. Кроме того, опыты показали, что тип наполнителя, вероятно, не играет существенной роли в процессе искусственного увеличения пористости замазученного грунта. Точки на кривой зависимости степени распада нефтепродуктов от содержания наполнителя, относящиеся к разному типу разрыхляющего вещества, удовлетворительно укладываются на график одной функциональной зависимости (рис. 3.1).

Такое протекание процесса указывает на то, что кинетика распада нефтепродуктов в материалах с низкой порозностью всецело зависит от диффузии кислорода в зону реакции и удаления продуктов метаболизма из нее. Разрыхлитель, основой химического состава которого является целлюлоза и лигнин, не оказывает химического влияния на процесс, и роль его ограничивается на уровне физического воздействия. Конечно, данный вывод справедлив только относительно отходов, имеющих сходный химический и фракционный состав.

    Тем не менее, трудно предложить в качестве разрыхляющей добавки какие-либо другие материалы, кроме опилок, стружки или растительных отходов, которые не изменяли бы при их внесении структурных свойств почвы. Так применение строительных отходов, шлаков и т.д. в данном случае абсолютно не приемлемо.

Однако следует отметить, что уменьшать соотношение грунт/разрыхлитель менее 2,0 не целесообразно, так как значительное повышение содержание опилок в замазученном грунте не приводит к существенной интенсификации процесса биодеструкции.

При изменении объемного соотношения в интервале 0,5 до 2,0 в четыре раза, степень разложения нефтепродуктов за 120 суток увеличивается менее чем на 10 % (рис. 3.1). Кроме того, необоснованное увеличение содержания разрыхлителя в замазученном материале влечет за собой резкое возрастание затрат на транспортировку и перемешивание, что существенно затрудняет внедрение разрабатываемой технологии в реальной ситуации.

Таблица 3.1

Экспериментальные данные по разложению нефтепродуктов под действием активного ила в системах с различным содержанием разрыхлителя. Т = 20 ± 20С, [АИ] = 220 ± 10  мг/кг, [УВ]0 = 2700 ±100 мг/кг и [H2О] = 40 ± 5% мас.

Таким образом, можно определить наиболее приемлемые соотношения смешивания замазученного материала и наполнителя. Интервал соотношений объемных частей замазученного грунта и разрыхлителя, который удовлетворяет критериям настоящей работы,  лежит в пределах от 1,5 до 2,5 см3/см3. Среднее значение интервала – 2,0 см3/см3. Это соотношение в дальнейшем взято за основу для проведения экспериментов по выявлению кинетических закономерностей разложения нефтепродуктов в замазученных грунтах под влиянием активного ила.