Спосіб біоелектричного очищення ґрунту від органічних забруднень

Винахід відноситься до біоелектричних засобів ліквідації забруднень нафтою та нафтопродуктами і може бути використане для очищення ґрунтів порушеної та непорушеної структури. У зону очищення вводять розчин нафтоокисних мікроорганізмів. У зоні очищення розміщують електроди - анод і катод, пропускають поміж ними постійний електричний струм і збирають розчин, що накопичується у катода, з повторним введенням його в зону очищення. Постійний електричний струм періодично включають і вимикають і підтримують при цьому температуру ґрунту поблизу поверхні анода в межах 10-40 o С. При цьому може бути здійснене попереднє нагрівання ґрунту до температури в межах 10-20 o С, при цьому в зону очищення можна періодично подавати повітря, а із зони очищення можна періодично відкачувати пари нафти та нафтопродуктів. Технічний ефект - створення способу біоелектричного очищення ґрунту, що дозволяє забезпечити оптимальні для життєдіяльності мікроорганізмів температурні умови та значення рН ґрунту, а також знизити витрату електроенергії. 3 з.п. ф-ли, 2 іл.

Відомий спосіб очищення капілярно-пористого середовища, зокрема ґрунту, від забруднень нафтою та нафтопродуктами шляхом введення в забруднене середовище нафтоокислюючих мікроорганізмів у вигляді суспензії в живильному середовищі, див. патент Україна N 2038333 за класом C 02 F 3/3 Мікроорганізми - деструктори нафти після внесення їх у середовище, що очищається -проходять період адаптації, що обумовлено різкою зміною умов їх життєдіяльності як біотичних, так і абіотичних. Після активації їх ферментних систем, які забезпечуютьклітину живленням та енергією, мікроорганізми метаболізують вуглеводневі сполуки нафти та нафтопродуктів, використовуючи їх як джерело вуглецю.

Даний спосіб не забезпечує ефективного очищення при глибині середовища, що очищається, понад 0,3 м, що обумовлено складністю доставки нафторуйнівних мікроорганізмів на значну глибину, а також тим, що при його реалізації не створюються достатньо умови для ефективної життєдіяльності мікроорганізмів щодо вмісту кисню в зоні очищення та підтримання необхідної вологості. Крім того, не вирішено проблему утримання в зоні очищення розчину, що містить мікроорганізми, внаслідок чого відбуваються втрати біопрепарату, і має місце подорожчання процесу очищення в цілому.

Ці недоліки практично не залежать від використовуваних штамів нафтоокисних мікроорганізмів. Зокрема, вони також притаманні способу очищення об'єктів навколишнього середовища, забрудненою нафтою та нафтопродуктами, що передбачає введення в очищуване середовище розчину нафтоокислювальних мікроорганізмів при температурі середовища 10 - 15 o C та pH 5,5-8,5, див. патент N 2053204 класу C02F 3/34.

Відомий спосіб біологічної очистки грунту, що включає відсипання забрудненого грунту в штабель невеликої висоти (25 см), розпушування та поливання розчином мікроорганізмів - деструкторів, див. Phase II Final Report, N 219, June 1998, pp. 65-66. Даний спосіб застосовується тільки в теплу пору року і тільки для ґрунтів порушеної структури.

Відомий спосіб біологічного очищення ґрунтів непорушеної структури шляхом подачі повітря в ґрунт для прискорення процесів біодеградації органічних речовин місцевими мікроорганізмами, див In-Situ Bioremediation, TechnologyOverview Report, TO-98-01, GW RAC, Liespet van Cauwenberghe та Diane S. Roote, P.G.Oct. 1998, p.13.

Цей спосіб важко реалізувати в умовах холодного клімату та великих сезонних коливань температури ґрунту; спосіб не може бути реалізований на неоднорідних ділянках, що містять велику кількість каміння, сміття і т.д.

Відомий спосіб біоелектрокінетичного очищення грунту непорушеної структури, див. патент США 5458747 за класом 01 D 61/42. При реалізації способу анод і катод встановлюються в забруднений або незабруднений ґрунт, між анодом і катодом прикладається постійна напруга, створюється потік ґрунтової води, спрямований до катода, ін'єктуються між анодом і катодом і транспортуються поживні речовини, добавки, біологічні реагенти, електрокінетичний процес потоку ґрунтових вод з мікроорганізмами та поживними речовинами, проводиться реверсування полярності постійного струму для забезпечення руху біологічних агентів у двох напрямках.

Недоліки способу полягають у наступному: - нерівномірне розігрів ґрунту (найбільша температура в приелектродних областях); - неможливість застосування у ґрунтах порушеної структури; - Підвищена швидкість розчинення електродів внаслідок руйнування оксидних плівок, що пасивують електрод при зміні полярності; - Постійне пропускання постійного або змінного струму є неекономічним.

Відомий спосіб електрохімічної біодеградації органічних матеріалів, див. патент США 5846393 класу G 01 N 27/26. У цьому способі електричне поле створюється або постійним струмом з періодичним реверсуванням напрямку, або з перемиканням з змінного струму на постійний, для розчинення водонерозчинних опадів. Збір електролітувиробляється з областей поблизу анода та катода, обробка цих рідин з видаленням забруднювачів здійснюється окремо.

Недоліки способу полягають у наступному: - при очищенні непорушений ґрунт обробляється в контейнерах з вертикально розташованими електродами та малою міжелектродною відстанню, що в більшості випадків збільшує вартість очищення; - збирання та очищення електроліту з прианодної області утруднені в низькопроникних ґрунтах; - Постійне пропускання постійного або змінного струму є неекономічним.

Реалізація цього способу забезпечує транспортування нафтоокисляючих мікроорганізмів електроосмотичним потоком рідини на задану глибину по всій зоні очищення, при цьому збільшується рівень вмісту кисню в зоні очищення через інтенсивну циркуляцію розчину, а також у зв'язку з виділенням внаслідок електролізу води; підтримується необхідна вологість у зоні очищення, що також позитивно впливає на життєдіяльність нафтоокисних мікроорганізмів; відбувається утримання розчину, що містить нафтоокисні мікроорганізми, в зоні очищення (між анодом і катодом) з мінімальними втратами.

Цей спосіб прийнятий за прототип цього винаходу.

Його недоліки полягають у наступному: безперервне пропускання електричного струму поза зв'язком з температурою грунту, що очищається, може призвести до його перегріву і загибелі мікроорганізмів-деструкторів органічних забруднень; при безперервному пропусканні електричного струму в зоні анода рН грунту зменшується, а в зоні катода - збільшується, що несприятливо позначається на життєдіяльності мікроорганізмів; крім того, має місце надмірне нераціональне споживання енергії.

В основу цього винаходу покладено рішення задачі створення такого способубіоелектричного очищення ґрунту, який дозволив би забезпечити оптимальні для життєдіяльності мікроорганізмів температурні умови та значення pH ґрунту, а також зниження витрати електроенергії.

Згідно винаходу, це завдання вирішується за рахунок того, що в способі біоелектричного очищення ґрунту від органічних забруднень нафтою і нафтопродуктами шляхом введення в зону очищення розчину нафтоокисляючих мікроорганізмів, розміщення в зоні очищення електродів - анода і катода, пропускання між ними постійного електричного струму, , що накопичується у катода, з повторним введенням його в зону очищення, постійний електричний струм періодично включають і вимикають і підтримують при цьому температуру ґрунту поблизу поверхні анода в межах 10 - 40 o C; при цьому може бути здійснено попереднє нагрівання ґрунту до температури в межах 10 - 20 o C; при цьому в зону очищення можна періодично подавати повітря; при цьому із зони очищення можна періодично відкачувати пари нафти та нафтопродуктів.

Заявником не виявлено технічних рішень, тотожних заявленому винаходу, що дозволяє зробити висновок про його відповідність критерію "новизна".

Реалізація відмітних ознак цього винаходу обумовлює важливі нові властивості заявляється способу: виключається можливість перегріву ділянки грунту, що очищається, і загибель мікроорганізмів-деструкторів органічних забруднень; в інтервалах між циклами подачі електричного струму відбувається вирівнювання pH грунту, що очищається за рахунок дифузії, що сприятливо позначається на життєдіяльності мікроорганізмів; усувається нераціональна витрата електроенергії.

Зазначені обставини підтверджують, на думку заявника, відповідність заявленого технічного рішення критерію"винахідницький рівень".

На фіг. 1 дана схема, що пояснює реалізацію способу; на фіг. 2 - графік зміни температури в зоні, що очищається при включенні та вимкненні електричного струму.

Реалізація методу ілюструється конкретним прикладом. Проводилося очищення ґрунту непорушеної структури від суміші бензину та дизельного палива в осінньо-зимовий період при температурі повітря від -10 до +5 o C. У зону очищення на глибину 2 м вводять електроди - аноди 1 та катоди 2. Відстань між анодами 1 та катодами 2 - 2,0 м. Аноди 1 і катоди 2 є сталевими трубами діаметром 60 мм. Заглиблені в ґрунт ділянки труб мають перфорацію, а ділянки труб, що знаходяться вище поверхні ґрунту, виконані суцільними. Джерело 3 постійного струму складається з силового трансформатора та керованого тиристорного випрямляча. Вихідна напруга – 270В. Датчик температури 4 встановлений поблизу анода 1 на глибині 1 м. Температура, при якій датчик 4 за допомогою блоку 5 управління джерелом постійного струму 3, вимикає джерело постійного струму 3, становить в конкретному прикладі +34 o C, температура, при якій включається джерело 3 постійного струму, становить +20 o C. У конкретному прикладі блок 5 являє собою підсилювач сигналу датчика 4, що видає керуючий сигнал реле включення-вимикання блоку 3, яке є на виході цього блоку.

Розчин мікроорганізмів вводиться через перфоровану пластмасову трубу 6, встановлену між анодом 1 і катодом 2. Через трубу 6 протягом 5 годин на добу здійснюється подача повітря в зону очищення компресором (не показаний). Тиск повітря становить 0,4 бар. Решту доби через трубу 6 здійснюється вакуумна екстракція парів летких органічних сполук (група ВТЕХ). Тиск вакууму становив 0,3 бар. Уяк мікроорганізмів використаний розчин, що містить консорціум анаеробних бактерій Pseudomonas putida і Pseudomonas fluorescens при ваговому співвідношенні по 11 мас. % кожного мікроорганізму. Крім того застосована мінеральна добавка, що містить азот та фосфор.

При включенні джерела постійного струму 3 створюється впорядкований рух розчину мікроорганізмів від анода 1 до катода 2. У катодах 2 збирається забруднена порова волога, яка евакуюється завдяки електроосмотичному підйому або відкачується насосом.

При включенні джерела постійного струму 3 в грунті виділяється теплова енергія, і температура грунту продовжує підвищуватися. Первинний розігрів ґрунту здійснюється протягом 3 днів шляхом подачі пари в трубу 6. Далі після досягнення температури поблизу анода 34 o C джерело постійного струму 3 вимикався на 5-9 днів і потім автоматично включався на 1-2 дні. У період вимкнення джерела постійного струму 3 відбувалося вирівнювання pH в зоні очищення за рахунок дифузії порової вологи, а також вирівнювання температури. Початкова концентрація забруднювачів у цьому прикладі становила 2600 мг/кг. Час біоелектричного очищення становив 90 діб. При цьому pH ґрунту в зоні очищення знаходився в межах від 6 (в зоні анода) до 8,5 (в зоні катода), що є сприятливим для ефективного функціонування мікроорганізмів. Кінцева концентрація забруднювачів становила 100 мг/кг. Питомі енерговитрати становили 40 кВтг/м 3 .

Запропонований спосіб може бути здійснений з використанням відомих матеріалів та звичайних технічних засобів, що обумовлює, на думку заявника, його відповідність критерію "промислова застосовність".

1. Спосіб біоелектричного очищення ґрунту від органічних забруднень нафтою та нафтопродуктами шляхом введення в зонуочищення розчину нафтоокисних мікроорганізмів, розміщення в зоні очищення електродів - анода і катода, пропускання між ними постійного електричного струму, збирання розчину, що накопичується у катода, з повторним введенням його в зону очищення, що відрізняється тим, що постійний електричний струм періодично включають і при цьому температуру ґрунту поблизу поверхні анода в межах 10-40 o С.

2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що здійснюють попереднє нагрівання ґрунту до температури в межах 10-20 o С.

3. Спосіб за п.1 або 2, який відрізняється тим, що в зону очищення періодично подають повітря.

4. Спосіб за будь-яким з пп.1-3, який відрізняється тим, що із зони очищення періодично відкачують пари нафти та нафтопродуктів.