Использование микроорганизмов при биологической очистке загрязнений, вызванных вредными выбросами поршневых двигателей



В статье рассмотрено влияние отработавших газов двигателей внутреннего сгорания на окружающую среду, а также способы очистки почвы, атмосферы и воды от загрязняющих веществ при помощи биологических методов. Обобщены данные о возможности использования микроорганизмов при очистке почвы, воды и атмосферы. Обозначены цели дальнейших исследований.

Ключевые слова: отработавшие газы, вредные вещества, микроорганизмы, биоремедиация, бактерии

В течение жизни человек находится в среде воздуха, от качества которой зависит его здоровье, самочувствие и работоспособность. Ухудшение качества воздуха из-за присутствия в нем различных загрязняющих веществ, ведет к гибели зеленых насаждений, загрязнению почв, водоемов и водотоков, к повреждению памятников культуры, конструкций зданий и сооружений. Автотранспортная деятельность сопровождается выделением в атмосферный воздух различных веществ, загрязняющих воздушную среду. В воздух поступают отработавшие газы (ОГ) поршневых двигателей. Качество воздушной среды ухудшается из-за присутствия в ней носителей неприятных запахов [1. С. 128–130].

При развитии современных экологических требований к двигателям внутреннего сгорания (ДВС) учитываются различные факторы влияния на окружающую среду. В последние годы в связи с ростом плотности движения автомобилей в городах резко увеличилось загрязнение атмосферы продуктами сгорания двигателей. Выпускные газы двигателей внутреннего сгорания (ДВС) состоят в основном из безвредных продуктов сгорания топлива — углекислого газа и паров воды. [2] Тем не менее в ОГ ДВС содержатся вещества, негативно влияющие на состояние здоровья человека. Согласно правилам ЕЭК ООН № 24–03, 49–01, 49–02, 49–05, 83–02, 83–04, 83–05, 83–06, 96–02, стандартам Евро-4, 5, 6 и Техническому регламенту Таможенного Союза ТР ТС 018/2011 основными вредными веществами, подлежащими контролю являются окись углерода (CO), оксиды азота (NO_x), углеводороды (CH), сера (S) [3].

При попадании в атмосферу и водные источники, на почву и растительность, а также на поверхности зданий, сооружений и других объектов жизнедеятельности человека оксиды азота, растворяясь в воде, образуют азотную и азотистую кислоту, вредное действие которых сказывается и на организме человека, вызывая заболевания сердечнососудистой, дыхательной, нервной систем и желудочно-кишечного тракта.

Окись углерода связывая гемоглобин крови человека и животных образует карбоксигемоглобин, блокирующий перенос кислорода к тканям и органам. При концентрации в 0,2 % по объёму данный газ вызывает тяжёлые отравления, а при превышении 1 % — летальный исход.

Различные виды углеводородов представляют опасность как канцероген, а также вызывают заболевания сердечнососудистой, нервной и дыхательной и др. систем [4]. Помимо этого отрицательное воздействие нефти и нефтепродуктов на окружающую среду общеизвестно и при нарушении природоохранного законодательства приводит к изменению состава почв, загрязнению поверхностных и подземных вод, а также атмосферы. Загрязнение природной среды нефтепродуктами является экологической проблемой во многих регионах Российской Федерации, поскольку негативное воздействие ОГ ДВС вызывает непосредственную деградацию почвенного покрова, так и на различные объекты биосферы [5, 6]

Существуют несколько методов ликвидации загрязнений от продуктов сгорания бензиновых ДВС, в том числе использование альтернативных топлив, в особенности в тепловозных и судовых дизельных установках, а также стационарных дизельных генераторах [7, 8], каталитических нейтрализаторов, в том числе из палладия, приготовленных методом микродуговой оксидации [9, 10] и каталитических покрытий поршня [11, 12, 13]. Однако полностью избавиться от выбросов не представляется возможным, поэтому при попадании вредных веществ в почву, в водную среду и в приземный слой атмосферы используют биологический метод очистки [14].

Основная часть. Биологические методы подразумевают использование углеводородокисляющих и других микроорганизмов (УОМ), которые способны разлагать продукты сгорания до безопасных минеральных соединений. В различных источниках имеется описание 22 родов бактерий, 31 рода микроскопических грибов и в том числе 19 родов дрожжей выделенных из почвенных экосистем. Из морской среды обитания выделено 25 родов бактерий и 27 родов микроскопических грибов. В их числе: бактерии (Bacillus, Clostridium, Escherichia и др.), мицелиальные грибы (Aspergillus, Penicillium, Mucor и др.), дрожжи (Candida, Saccharomyces, Trichosporon и др.), цианобактерии (Microcoleus, Oscillatoriam, Plectonema и др) [14, 15].

При этом, большинство вредных веществ, содержащихся в ОГ ДВС, попадают в атмосферу. В связи с этим необходимо рассмотреть роль микроорганизмов в очистке воздуха.

Верхние слои атмосферы в малой степени очищаются микроорганизмами, поскольку большинство из них гибнет в атмосфере из-за ультрафиолетовых лучей, высыхания, отсутствия питательных веществ. Основная часть микроорганизмов обитает в верхних слоях почвы и очищает приземный слой атмосферы, используя в качестве субстратов роста окись углерода (CO), сероводород (H₂S), углеводороды (CH) и окислы азота (NO_x). При этом главным источником загрязнения воздушной среды является почва. Частично микроорганизмы попадают в воздух с открытых водоемов с капельками воды, от человека, животных, растений [16].

Существенным фактором очищения воздуха является наличие лесов в загородной среде, и парков, скверов и газонов в городской. При этом, в сельской местности лесопосадки создают также защиту от шума, а газонная трава в городской местности играет большую роль, нежели скверы и парки. Корневая система газонной травы способствует рыхлению почвы и проникновению в неё воздуха, что является благоприятным фактором для микроорганизмов, окисляющих вредные газы и токсичные летучие примеси в приземном слое атмосферы. При этом, при удобрении клумб и газонов возможно использование стабилизированных осадков сточных вод, богатых органикой. При этом необходимо учитывать, что данный вид удобрения применим только к озеленительным процессам, но не к сельскому хозяйству.

Несмотря на преимущества данных способов очистки атмосферы, одним из серьёзных препятствий для их осуществления является патогенность или условная патогенность микроорганизмов и грибов, таких как Gongronella butleri, Alternaria alternate, Proteus vulgaris, бактерии родов Staphylococcus и Streptococcus.

Кроме того, существуют и другие физиологические группы бактерий, среди которых выделяют нитрифицирующие (Nitrosomonas, Nitrosococcus и Nitrosospira). До недавнего времени считалось, что данные бактерии оказывают благородное влияние на почву. Однако при использовании на автотранспортных и сельскохозяйственных предприятиях машин, оснащённых дизельными двигателями возникает опасность окисления вредных выбросов NOx с последующим образованием гидроксамовых кислот и различных вредных азотных соединений.

Также пагубное влияние оказывают сероокисляющие бактерии, поскольку сера является одним из компонентов вредных выбросов дизельных ДВС.

В связи с этим снижение выбросов серы, азота, а также углеводородов и окиси углерода является задачей инженеров конструкторов ДВС. Способы снижения выбросов данных веществ ранее были представлены в данной статье.

Учитывая данные факторы, представляется возможным контролировать загрязнение в крупных городах, предприятиях и около автомагистралей. Указанные способы очистки являются применимыми на сегодняшний день. В последующих работах будут рассмотрены влияние микроорганизмов на содержание вредных веществ возле автомобильных дорог и магистралей, а также будут проведены и проанализированы расчёты экономического ущерба от загрязнения почвы, атмосферы и воды и будут предложены способы уменьшения данного ущерба.

Вывод. Применение методов биологической очистки при загрязнении продуктами сгорания углеводородных топлив в большей степени подходит для очистки почвы и воды, поскольку многие микроорганизмы, ненадолго попадающие в атмосферу, являются патогенными и условно патогенными, а также вызывающими образование опасных соединений, в том числе азотной и серной кислоты. Для предотвращения загрязнения атмосферы предлагается использование альтернативных топлив, каталитических нейтрализаторов и каталитических покрытий поршня, что в свою очередь также уменьшит уровень загрязнения почвы и воды.

Литература:

1. Хомич В. А. Экология городской среды: учебное пособие для вузов. — Омск: Изд-во СибАДИ, 2002. — 267 с.

2. Рыжих Н. Е. Способы уменьшения выброса двигателями внутреннего сгорания токсичных газов в атмосферу // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. 2004. № 7. С. 61–68.

3. Ведрученко В. Р., Литвинов П. В. Анализ требований к нормативам выбросов вредных веществ // Архитектура, строительство, транспорт [Электронный ресурс]: материалы Международной научно-практической конференции. — Омск: СибАДИ, 2015. — С. 970–976. (дата обращения 17.01.2017)

4. Шароглазов Б. А. Поршневые двигатели: теория, моделирование и расчёт процессов: учебник по курсу «Теория рабочих процессов и моделирование процессов в двигателях внутреннего сгорания»: для высших учебных заведений, обучающихся по специальности 140501 «Двигатели внутреннего сгорания» направления подготовки 140500 «Энергомашиностроение» / Б. А. Шароглазов, В. В. Шишков: под ред. Б. А. Шароглазова; М-во образования и науки Российской Федерации, Южно-Уральский гос. Ун-т. Челябинск, 2011.

5. Хабиров И. К., Габбасова И. М., Хазиев Ф. Х. Устойчивость почвенных процессов. — Уфа: БГАУ, 2001. — 327 с.

6. Бурмистрова Т. И., Алексеева Т. П., Перфильева В. Д., Терещенко Н. Н., Стахина Л. Д. Биодеградация нефти и нефтепродуктов в почве с использованием мелиорантов на основе активированного торфа // Химия растительного сырья. 2003. № 3. — С. 69–72.
7. Ведрученко В. Р., Малахов И. И. Альтернативные виды топлива для судовых дизелей: монография / ФБОУ ВПО «Новосибирская государственная академия водного транспорта». Омск, 2012. 172 с.
8. Ведрученко В. Р., Крайнов В. В., Жданов Н. В., Кульков М. В. О выборе схем и разработке технических решений систем топливоподачи альтернативных и тяжёлых топлив в дизелях // Омский научный вестник. — 2010. — № 2(90). — С. 157–162.

9. Борисов В. А., Иванов А. Л. Обоснование выбора материала катализатора для повышения экологической безопасности ДВС // Архитектура, строительство, транспорт [Электронный ресурс]: материалы Международной научно-практической конференции. — Омск: СибАДИ, 2015. — С. 967–970. (дата обращения 17.01.2017)

10. Борисов В. А., Супрунов Г. И., Сигаева С. С., Мухин В. А., Иванов А. Л., Аношкина Е. А., Темерев В. Л. Окисление CO на палладиевых катализаторах на носителях SiO₂ (B₂O₃-SiO₂, ZrO₂-CeO_2, γ-Al₂O₃, CeO₂)/ силумин, приготовленных микродуговой оксидацией // Техника и технология нефтехимического и нефтегазового производства: материалы 5-й международной научно-технической конференции. — Омск, 2015. — С. 11.
11. Zeng W., Xie M. A novel approach to reduce hydrocarbon emissions from the HCCI engine // Chemical engineering journal, Volume 139, Issue 2, p.380–389, 2008.
12. Hu Z, Ladommatos N., In-Cylinder Catalysts — A Novel Approach to Reduce Hydrocarbon Emissions from Spark-Ignition Engines // SAE Technical Paper 952419, 1995, doi:10.4271/952419.
13. Ведрученко В. Р., Иванов А. Л., Борисов В. А., Литвинов П. В. Влияние материала поршня на процесс сгорания топлива в двигателе // Вестник СибАДИ. — 2016. — № 5(51). — С. 61–68.
14. Александров А. Ю. Характеристика штаммов микроорганизмов, участвующих в процессе биоремедиации // Вестник Волгоградского государственного университета. Серия 3: Экономика. Экология. — 2009. — № 1. С. 231–237.
15. Тимергазина И. Ф., Переходова Л. С. К проблеме биологического окисления нефти и нефтепродуктов углеводородокисляющими микроорганизмами // Нефтегазовая геология. Теория и практика. — 2012. — Том. 7. — № 1. С. 1–28.
16. Евдокимова Г. А., Корнейкова М. В., Мозгова Н. П., Редькина В. В. Микроорганизмы воздушной среды обитания по градиенту загрязнения от комбината «Печенганикель» к заповеднику «Пасвик» // Вестник Кольского научного центра РАН. — 2012. — № 3(10). — С. 22–25.