1.4 Көмірсутектермен ластанған топырақтарды биоремедиация процестерімен қайта қалпына келтіру әдістері
Отын-энергетика кешеніндегі экологиялық проблемалардың негізгілерінің бірі мұнай құбырының тозуынан, ескіруінен, сонымен қатар мұнай және мұнай өнімдерін әртүрлі көліктермен тасымалдау кезінде болатын мұнай құбырындағы апаттар болып табылады. Мысалы дүние жүзінде мұнай шығыны оны өндіру, өңдеу және пайдалану жылына 45 млн тоннадан астам, яғни жылдық табыстың 2 %-ын құрайды, мұнайдың 22 млн тоннасы (өндірілген мұнайдың 0,97 %) жер бетінде жоғалып кетеді.
Мұндай проблемалардың шешілмей тұрғандығының негізгі факторы топырақ және жер асты суларының мұнай және мұнай өнімдерімен ластану дәрежесінің бағалану өлшемдерінің нормативті құжаттардың болмауы болып табылады.
Топырақ пен жер асты суларының ластану деп қоршаған ортада жағымсыз экологиялық өзгерістердің: топырақ экожүйесінің экологиялық тепе теңдігінің бұзылуы, топырақ биотасының өлуі, өсімдіктердің өлуі немесе өнімділігінің төмендеуі, мұнай өнімдерінің топыраққа енуінен жер асты және жер үсті суларының ластануына қауіптіліктің тууы, топырақтың сулы-физикалық қасиеттерінде морфологиялық өзгерістердің жүруі, құнарлығының төмендеуінің байқалуына дейін жеткен мұнай өнімдерінің концентрациясын есептейді [24].
Топырақтың ластану дәрежесін анықтау топырақ санациясының арнайы жұмыстарын жүргізу сұрақтарын шешуді қажет етеді. Топырақтың ластануының қауіпті дәрежесі деп өзін-өзі тазалау потенциалының шектен шығу дәрежесін айтады.
Дүние жүзілік практикада мұнай өнімдерімен ластанған топырақты залалсыздандыру үшін әртүрлі әдістер қолданылуда. Бірінші топқа ластанған жерді ойып алу және ластаушыларды утилизациялау:
қоқыс тастайтын жерге апарып тастау. Мұнай және мұнай өнідерімен ластанған топырақ және қатты материалдарды қалдықтарға, өткізілетін қоқыстың жалпы көлеміне 1-2 % қатынаста қосып қаланың қоқыс тастайтын жеріне апарып тастайды. Мұнай өнімдері мен қалдықтардың мұндай қатынасы экологиялық негізделген. Утилизация мерзімі - 1 жыл.
ластанған топырақты ойып алу және арнайы дайындалған алаңдарға апарып тастау (Ландфарминг әдісі). Бұл әдіс қазылып алынған топырақтарды дайындалған алаңдарға таратып, көп қайтара борпылдату арқылы аэрация жүргізу және еріксіз желдету, суару, қоректік заттар мен микроорганизмдерді енгізу. Утилизация мерзімі - 1 жыл.
арнайы ыдыстарға салу. Биіктігі 0,4-2 м формадағы ыдыстарға қазылған ластанған топырақтарды салу. Бұдан кейін қоректік заттар мен биомасса қоспаларымен суарылады. Эрозияның алдын алу үшін эвентуальды көгалдандыру жүргізіледі. Утилизация мерзімі - 2 жыл.
Әдістің екінші тобына ластанған аймақтарға жүргізілетін биоремедиациялық іс-шаралар жатады:
кешенді минералды тыңайтқыштар енгізілген микроорганизмдердің селекцияланған мұнайтотықтырғыш штаммдарымен топырақты өңдеу;
жергілікті мұнайтотықтырғыш микрофлораның өсуді ынталандырушыларымен мұнаймен ластанған топырақты өңдеу.
Бұл технологиялар қазіргі уақытта топырақтың мұнаймен ластануының ликвидациялайтын кең қолданылатын биотехнологиялық әдістеріне жатады.
Мұнай және мұнай өнімдері төгілген жерді жандыру. Әдістің кемшілігі - топырақтың беткі қабатындағы мұнай ғана утилизацияланады, сондай-ақ қыздырылған жерлерде табиғи биоценоздар жойылады, жану өнімдерінен атмосфера ауасы ластанады [25].
Топырақты санациялаудың басқа да әдістері бар: сепарация, жоғарғы температурада күйдіру, бумен өңдеу және т.б. Бірақ, бұл әдістер арнайы құрылғыларды қажет етеді.
Шетелдік және отандық зерттеулерді, методикалық материалдарды, мұнай ластаушыларды жоюшылардың есептерін, ғылыми - зерттеулік және практикалық жүмыстарды ескере отырып, топырақтағы мұнай ластаушыларын жою үшін кешенді іс-шаралар қосылған келесі тұжырымдама берілген:
- мұнай ластаушыларын локализациялау;
- мұнай өнімдерін, сонымен қатар ластанған қалдықтармен, қоқыстарды жинау, өңдеу және утилизациялау;
- химиялық мелиорациялау;
- жерді биологиялық рекультивациялау;
- биоремедиация.
Бұл әдістердің ішінде ең көп қолданылатыны жандыру, көму және биототықтыру. Салыстырмалы түрде қарасақ, биототықтыру экологиялық қауіпсіз және перспективалы, арзан әдіс болып табылады. Бұл процестің бірнеше терминдері кездеседі "биодеградация", "биоқайта-қалпына келтіру", "биорекультивация" және "биоремедиация".
Биоремедиация (bioremediation) - (грек тілінен bio(s) - өмір және logos - ұғым, ғылым; ағылшын тілінде remedy - айықтыру, жөндеу) -топырақтардағы, сулар мен ауадағы зиянды заттар мен бөгде бөлшектерді сүзу (фильтрация) немесе (және) жайылуын тежеу, ортаның бастапқы құрамын қайта қалпына келтіруіне мүмкіндік туғыза алатын тірі ағзалардың көмегімен жою. Мысалы, ағынды суларды биологиялық тазалау үшін нафталин, толуол, алкандар, камфару, арнайы фенолды қосылыстар, мұнай қосылыстары, сонымен қатар инсектицидтер, гербицидтер және т.б. ксенобиотиктерді утилизациялайтын «талғаусыз» бактерияның түрі кең қолданылады.
Биоремедиация мұнай өнімдерін ластанған аймақтарды механикалық әдістер арқылы тазалау. Биоремедиация жердің ландшафтық бедерінде қалған мұнай өнімдерін биологиялық жолмен жою мүмкіндігіне ие биоцидтерді пайдалануға негізделген. Биоремедиацияның негiзгi үш тәсілі бар: биостимуляция, биоаугментация және биовентиляция. Осы тәсілдердiң iшiндегі ең қолайлысы биоаугментация әдiсi. Себебi бұл белсендi деструкторлы микроорганизмдердi қолдану арқылы iске асырылады. Сонымен қатар, топырақтың биоремедиациялану эффектiсiне, ремедиация процесінің бiркелкi жүруiне әсерін тигiзедi. Яғни топырақтағы деструкторлы микроорганизмдердiң интродукциясының құрылуы, олардың дамуына және тiршiлiк деңгейiне оптимальды жағдайдың қалыптасуы әсер етеді. Топырақтың барлық түрлерiнде әртүрлi көмiрсутектердi тотықтыратын көптеген микроорганизмдердiң кездесуi анық [26].
Топырақ микробиотасына мұнайдың селективтi әсерi мынадай түрде көрсетiледi. Егер ластанған топырақтарда микроорганизмдер саны көп болса, онда олар н-алкандарды және ароматты көмiрсутектердi қолданады. Газ тәрiзді көмiрсутектердi, қатты парафиндердi, ароматты көмiрсутектердi тотықтыратын микроорганизмдердiң деңгейi көбейген. Олардың iшiнде: Arthrobacter, Bacillus, Brevibacterium, Nocardia, Pseudomonas, Rhodococcus сияқты бактериялардың туыстары кездеседі. Азот циклындағы микроорганизмдер, соның iшiнде нитрификациялаушы бактериялар мұнайдың әсерiне сезiмтал болып келедi. Ал азотфиксация, аммонификация және денитрификация процестерiнде микроорганизмдердiң саны және қарқындылығы керiсiнше жоғарылауы мүмкiн [27].
Қазiргi кезде, топырақтың биоремедиациясында екi әдiстеме бар: мұнайдың ыдырау қарқындылығына қарай және ластанған территорияларды локальдi тазартуына байланысты, топырақ жамылғысына, ең алдымен, сәйкестiгi бар олеофильдi тыңайтқыштар және мұнайларды ыдырататын деструкторлы-микроорганизмдердi ендiріледі (сурет 1) [28, 29].
Сурет 1. Мұнаймен ластанған топырақты дезактивация жолдары
Ластанған топырақты биоремедиациялау биологиялық агенттерді пайдалану арқылы топырақтағы поллютанттарды тазалауға негіздеген техникалардың жиынтығы болып табылады. Биоремедиацияның нақты технологиясын таңдау келесі басты өлшемдерге, яғни тазалау аймағының табиғи жағдайына, топырақ құрамына, концентрациясына және поллютанттың улылық деңгейіне байланысты. Топырақ биоремедиациясында қолданылатын технологияларды екі топқа біріктіруге болады: in situ әдісі және ex situ әдісі.
Биоремедиация in situ ластану аймағынан ластанған топырақты жоймай ортаны поллютанттардан тазалауға негізделген. Бұл типті технология жер қазу жұмыстарын жүргізбейтіндіктен экономикалық тұрғыда үнемді және арзан технология болып табылады, ауаны аз мөлшерде шаңдатады және ex situ технологиясымен салыстырғанда ұшқыш поллютанттарды аз босатады. Биоремедиация in situ тәсілдерінің бірі арнайы құрылғының көмегімен ластанған топыраққа поллютанттардың аэробты биодеградациясы мен микроорганизмдердің өсуін ынталандыру үшін оттекті енгізу. Бұл техника көп жағдайда әртүрлі мұнай өнімдерінен тазалау үшін қолданылады.
Биодеградацияны ынталандыруда поллютанттардың деградациясын жүзеге асыратын, микроорганизмдердің метаболизмі мен өсуін жылдамдату үшін топыраққа оттегіден басқа қоректік заттарды енгізу арқылы жүргізілуі мүмкін. Бұл мақсатта көбінесе азот- және фосфорқұрамды тыңайтқыштар қолданылады. Басқада кең таралған әдістерге топыраққа микроорганизмдерді немесе топырақтағы органикалық поллютанттардың деградациясын жылдамдататын ферменттерді енгізу жатады.
Биоремедиация ex situ ластанған топырақ қабатын қазып алып, оны ластанған аймақтан алшақ жерде поллютанттардан тазартуға негізделген. Бұл биоремедиация in situ әдісімен салыстырғанда шығынды көп қажет етеді. Дегенмен, бұл типті технологиялардың артықшылығы бар: олар аз уақытты қажет етеді және тазалау процесін бақылауды толықтай қамтамасыз етеді.
Іn situ биоремедиация технологиясы кезінде қолданылатын әдістердің бірі биореакторларды қолдану болып табылады. Биореакторға топырақты салмас бұрын, үлкен тастар мен топырақтар алынып тасталынады, бұл топырақты біртекті жасайды, су қосқаннан кейін ол балшықты қоспаға айналдырады. Топырақтағы поллютанттарды тазалау жүргізілетін қоспаға микроорганизмдер қосылады, олар үшін реакторда оптималды жағдай құрылған. Топырақты тазалау процесі аяқталғаннан кейін топырақ кептіріледі және қоршаған ортаға қайта шығарылады.
Іn situ биоремедиация технологиясының келесі бір әдісі ол қазылып алынған ластанған топырақтарды арнайы аймақтарға төгіп, биоремедиацияны жүзеге асыратын микроорганизмдердің метаболизімі мен өсуін жылдамдату үшін оны аэрациямен, қоректік заттармен және сумен қамтамасыз етеді. Биореактордың көмегімен тазалаумен салыстырғанда бұл технология үлкен аймақты және көп уақытты қажет етеді.
Биоремедиацияның басқа да көптеген әдістері кездеседі. Осындай технологиялардың бірі көпіршіктерді пайдалану. Деградациялайтын бактериялармен қосылған көпіршік түзуші заттар сығылған ауамен бірге топырақтың белгілі тереңдігіне айдалады. Көпіршіктер ластаушы заттарды мобилизациялайды және олардың биоқолайлылығын арттырады. Көпіршік қоспасы ваккумды сорғыш арқылы топырақтан бактериялар мен деградациялайтын поллютанттар тартып алады, поллютант жойылады, ал тазаланған көпіршік тәрізді қоспаны микроорганизмдермен бірге тазалау үшін қайта пайдаланады.
Топырақты биоремедиациялаудың басқа перспективалы технологиясы электролиз механизміне негізделген. Топыраққа екі қарама-қарсы электрлі зарядталған құрылымды орналастырады. Топырақтың суы электролизденеді, сутек және деструкторлардың метаболизмін ынталандыратын оттек түзіледі. Оттектің ынталануынан басқа, микроорганизмдердің метаболизмі және өсуі электролизбен жалғасқан температураның жоғарлауымен ынталанады. Сутек пен оттек, сонымен қатар басқа да топырақтан бөлінетін газ тектес заттарды танкерге жинайды. Танкерде араластырғаннан кейін қайтадан топыраққа айдайды. Сондай-ақ pH және оңтайлы ылғалдылықты қамтамасыз ету үшін топыраққа су және лактат қосылады [30].
Мұнай және мұнай өнімдерінің құрамындағы көмірсутектерді жылдам және нақты анықтаумен өңдеу, мұнай өндірісіндегі ең басты және толығымен шешілмегін тақырып болып отыр. Өнімнің химиялық құрамын білу, өнімді өңдеу үшін және оның сапасы мен тұрақтылығын анықтау үшін керек. Осы тәсілдерді білместік үлкен материалдық шығынмен өнімнің төзімділігін төмендетеді. Қазіргі экстракционды анализдеу тәсілдері, селективті еріткіштерді қолдануға негізделген, ұзақ уақыт және көп күшті қажет етіп, және де денсаулыққа зиянды, сол себепті, бұл әдістерді зауыттарда бақылау ретінде жұмыс істеуге тиым салынады. Сондықтан осындай кемшіліктері болмайтын анализдеу тәсілдерін іздеу барысында, қазіргі тандағы әдістердің ішіндегі алдыңғы орында калориметриялық және термогравиметриялық әдістер [31].
Көптеген жағдайларда әртүрлі компоненті мұнайлардың тұрақты қатынастығы микробты тотығуларына қатысты әртүрлі кластарға жататын әрбір жеке заттарға (парафиндер, алкилбензолдар, нафталиндер немесе алкилнафталиндер және т.б.) зерттеулер жүргізілген. Мұнайдың шайырлы-асфальтенді бөлігінің биототығуы алдын-ала бөлініп алынған ұқсас заттар тобының фракцияларымен (оқшауланған) зерттеу барысында жүргізілген. Осы тәжірибелерге сүйене отырып, мұнай компоненттерінің биототығуы төзімділігі бойынша келесі қатар бойынша тізбектеледі: нормалды алкандар > изоалкандар > изопреноидті алкандар > цикландар > арендер > асфальтендер > шайырлар [31, 32]. Микробтардың әсеріне төзімділігі жоғары мұнайдың жоғарымолекулалық компоненттері ретінде – шайырлар мен асфальтендер әсерлесу кезінде едәуір жылдамдықпен жоғала бастайды, оның жоғалу интенсивтілігі н-алкандардың орнығу кезінде шайырлар (52 %-ға дейін) және асфальтендер (72 %-ға дейін) жоғалады.
Биологиялық өзгерістер кезінде микроорганизмдердің метан қатарларындағы көмірсутегілерді өз қажеттілігіне пайдаланып, парафинді мұнайларды нафтенді мұнайларға дейін ыдырататыны байқалады. Биодеградация процесі кезінде, мұнайдың тығыздығы жоғарланып және шайырлы қосылыстардың үлесі ұлғаяды. Ал қалған қалдықтардың жиналу нәтижесінде нафтендердің және ароматты көмірсутектердің концентрациясы жоғарылайды.
Мұнайдың негізгі ерекшеліктеріне сай құрамы әр түрлі көмірсутектер топырақ немесе суға түскенде ыдырайды, себебі ондағы көмірсутектер шайылу, желдену, химиялық тотығу және микробтық бұзылыстарға әкеледі. Өнімдегі химиялық тотығудың бірінші кезеңі, биодеградация өнімдеріне сәйкес, майлар құрамдарының төмендеуімен байқалады (40-41 %-ға дейін), біркелкі асфальтендердің үлесі (10-нан 28,8 %-ға дейін) көбейеді. Бірақ, биодеградация процесінен ерекшелігі, химиялық тотығу кезінде бензолды шайырлар азайынқырап, ал спиртті-бензолды шайырлардың мөлшері сәл ғана көбейеді, нәтижелерге қарағанда температураның әсерінен термиялық тұрақсыз спиртті-бензолды шайырлардың түзілмеуі тән емес [33].
Бактериалды микрофлора көбінесе жалпы токсинді мұнай компоненттерін – (ароматты көмірсутектерді) тотықтырады. Бұл бағыт бойынша көптеген зерттеу жұмыстары жүргізілген және микроорганизм-деструкторлы штаммдар коллекциялары пайда болған. Осы штаммдар фенолды, толуолды, ксилолды, мазут және шикі мұнайды ыдыратуға қабілеттілігін байқатты [34].
Көмірсутек микроорганизмдерінің түрлену механизмі (сурет 2) келесі қатар түрінде көрсетіледі:
--- н-алкандардың тотығу жолдарының 3 түрі қабылданған:
метил тобының монотерминальды тотығуы, нәтижесінде спирттер, альдегидтер және монокарбонды қышқылдар түзіледі.
тотығу нұсқасы ретінде монотерминальды тотығу, екіншілік спирттер, сонымен қоса метилкетонның түзілуі.
дитерминальды тотығу, мұнда терминальды н-алкан топтары біріңғай немесе тізбектеліп тотығып, майлы дикарбонды қышқылдар түзеді.
Сурет 2. Көмірсутектердің микробты утилизациялау сызбанұсқасы
Көптеген микроорганизмдер үшін көмірсутектердің монотерминальды тотығуы тән, н-алкандардың бұл тізбегінде тотығу сипатында соңғысы С-атомы болып табылады. Микроорганизмдер қатысында қос метил топтарының н-алкандардың тотығу процесінде ақырғы өнім ретінде w-оксимонокарбонды және дикарбонды қышқылдар түзіліп, сонымен қатар, молекуладағы көміртегі атомының саны бастапқы көмірсутектерге сәйкестігін көрсетіп, “дитерминальды тотығу” атауға ие болды [35, 36].