Загрязнение почв нефтепродуктами Проблемы и решения Группа: БСбз-18-1 Султанов Бекболот Состояние проблемы - Одним из негативных последствий интенсификации нефтедобычи является загрязнение почвенного покрова территорий нефтеуглеводородами.
- При попадании нефти и нефтепродуктов в почву происходят глубокие и часто необратимые изменения морфологических, физико-химических, микробиологических свойств почвенного покрова, а иногда и существенная перестройка всего почвенного профиля, что приводит к потере загрязненными почвами плодородия.
- На современном уровне развития нефтедобывающей промышленности исключить ее воздействие на окружающую среду невозможно. В связи с этим возникает необходимость разработки новых и совершенствования существующих технологий
восстановления нефтезагрязненных и нарушенных земель. Общие сведения о составе нефти и нефтепродуктов - Нефть относится к группе горных осадочных пород. Она обладает одним важным свойством – способностью гореть и выделять тепловую энергию. Среди других горючих ископаемых она имеет наивысшую теплотворную способность.
- В химическом отношении нефть – сложная смесь углеводородов (УВ) и углеродистых соединений. Она состоит из следующих основных элементов:
- углерод 84—87%
- водород 12—14%
- кислород, азот, сера - 1—2%.
Содержание серы может доходить до 3—5%. В нефти выделяют следующие части: - углеводородную,
- асфальтово-смолистую,
- порфирины,
- Серу
- Золу.
В каждой нефти имеется растворенный газ, который выделяется, когда она выходит на земную поверхность. Главные источники загрязнения почвы нефтепродуктами: - разливы нефти и НП в результате аварий трубопроводов (при одном порыве нефтепровода выбрасывается в среднем 2 т нефти, что выводит из строя 1000 м³ земли )
- на нефтегазодобывающих предприятиях: возникновение газовых и нефтяных фонтанов, самовозгорание газа, выбросы подземных высокоминерализированных вод, сброс загрязненных сточных вод на рельеф, разлив буровой жидкости, ликвидация амбаров, разлив метанола, поступающего от установки регенерации, складирование шламообразных отходов, диффузная миграция газа, излив пластовой смеси, выброс продуктов сгорания топлива и т. д;
- на нефте- и газотранспортных предприятиях: разлив углеводородного конденсата, ингибиторов коррозии, газопроводов, разлив турбинного топлива, метанола, органических кислот, поверхностно-активных веществ (ПАВ), смазочных компрессорных масел;
- на нефтегазоперерабатывающих предприятиях: разлив и утечки конденсата и смазочных масел, а также химреагентов (метанола, диэтиленгликоля, диэтаноламина и др.).
ПДК - Предельно допустимые концентрации нефти в почвах не разработаны!!!
- ПДК отдельных нефтепродуктов зависят от вида нефтепродуктов (НП) и составляет для почвы бензин - 0,1 мг/кг;
- бензол – 0,3 мг/кг,
- толуол – 0,3 мг/кг,
- ксилол – 0,3 мг/кг (Саксонов и др., 2005).
- Минимальный уровень содержания нефтепродуктов в почвах и грунтах, выше которого наступает ухудшение качества природной среды, рассматривается как верхний безопасный уровень концентрации (ВБУК) (Пиковский, 1993). ВБУК нефтепродуктов в почвах зависит от сочетания многих факторов, таких как тип, состав и свойства почв и грунтов, климатические условия, состав нефтепродуктов, тип растительности, тип землепользования и др.
- Эти нормы должны различаться в зависимости от климатических условий и типов почвообразования.
Показатели степени загрязненности земель нефтью
Группа ландшафтно-геохимических районов
|
Степень загрязнения
|
Процент остаточной нефти в гумусовом горизонте почвы в первые недели после загрязнения
|
Степень отмирания растительности в следующем за загрязнением вегетативном периоде
| | | | | |
травы
|
древесная растительность
|
Мерзлотно-тундрово-таежные
|
умеренная
|
менее 0,5-1%
|
неполное
|
не более 50%
| | |
сильная
|
более 1%
|
полное
|
более 50%
|
Таежно-лесные
|
умеренная
|
менее 3%
|
неполное
|
не более 75%
| | |
сильная
|
более 3%
|
полное
|
более 75%
|
Степные
|
умеренная
|
менее 6%
|
неполное
|
не более 75%
| | |
сильная
|
более 6%
|
полное
|
более 75%
| Относительная степень нарушенности почв, содержащих различные количества нефти (McGill, 1977)
Степень нарушенности
|
Содержание нефти в почве,
мг/кг сухой почвы
|
От легкой до умеренной: отсутствие каких-либо специальных мер отмечается некоторое временное ослабление роста растительности
|
5000-20000
|
От умеренной до высокой: нормально развиваться способны лишь некоторые виды растений; восстановление почв возможно в течение трех лет; без рекультивации восстановление потребует в 2-3 раза больше времени
|
20000-50000
|
От высокой до очень высокой: нефть фронтально пропитывает почву на глубину 10 см; лишь немногие растения выживают; при рациональной рекультивации восстановление почвы займет 20 и более лет
|
Свыше 50000
| Методы контроля - При количественных оценках уровня нефтяных загрязнений наибольшее распространение получили методы инфракрасной спектрофотометрии, ультрафиолетовой люминесценции, газовой и газожидкостной хроматографии.
- Для ИК-анализа углеводородов используют диапазон от 0,7 до 25 мкм, который обычно подразделяют на три области: ближнюю – 0,7-2,5 мкм, область основных частот – 2,6-6 мкм, дальнюю – 6-25 мкм.
- Наиболее широко используется область основных частот. Нормативные документы по анализу суммарного загрязнения окружающей среды нефтепродуктами с ИК-спектроскопическим окончанием регламентируют проведение измерений в интервале длин волн 3,3-3,5 мкм. Стандартная смесь, содержащая 37,5% изооктана, 37,5% цетана, 25% бензола, предназначена для калибровки приборов в этой области (Проскуряков, 1995).
- Дальняя ИК-область используется в основном для идентификации источника загрязнения, а также для определения типов нефтей по показателю ароматизированности и для структурно-группового анализа (Проскуряков, 1995).
- Пробоподготовка для ИК-детектирования не вызывает сложностей. Анализ требует малого количества вещества любой молекулярной массы в любом агрегатном состоянии. После анализа вещество остается неизменным (Саксонов и др., 2005). Принципиально новым шагом явилось создание лабораторных ИК-спектрометров на основе Фурье-преобразования. Большинство отечественных нефтепродуктов проводят измерение концентраций нефтяных загрязнений на одной длине волны. Следует выделить прибор ИКАН-1, в котором предусмотрена возможность установки любой длины волны в диапазоне от 1,85 до 3,5 мкм с индикацией ее значения на цифровом табло. Это дает принципиально новую возможность проводить анализ многокомпонентных смесей на нескольких длинах волн.
Люминесцентные методы - Существующие люминесцентные методы оценки нефтяного загрязнения характеризуются высокой экспрессностью и чувствительностью. Они позволяют определять микроэлементы, а также суммарное содержание загрязняющих органических веществ и индивидуальных органических соединений.
- Приборы для люминесцентного анализа могут быть разделены на две группы: флуориметры и спектрофлуориметры. В флуориметрах используют светофильтры, а в спетрофлуориметрах – дифракционные решётки.
- В нашей стране наибольшее распространение получил люминесцентно-фотометрический анализатор «Флюорат-0,2». В этом приборе источником возбуждения люминесценции служит газоразрядная лампа (для измерения нефтепродуктов - ксеноновая). Несмотря на высокую чувствительность люминесцентного метода, при использовании приборов типа «Флюорат-0,2» для измерения суммарного содержания НП возникает проблема калибровки прибора по стандартному раствору, что необходимо для получения достоверных данных. Однако, до настоящего времени такой стандартный раствор для люминесцентных методов отсутствует.
- В результате при измерениях «тяжёлых» НП (мазут и прочие) прибор может дать погрешность до 40-50%, а при определении «лёгких» НП (бензин и прочее) результаты измерений концентрации могут быть занижены в несколько раз. Следует отметить, что в европейских странах ультрафиолетовые методы анализа применяются мало (Берне и др., 1997).
- Наиболее перспективными для мониторинга нефтепродуктов с одновременной идентификацией и расшифровкой химического состава являются методы газовой, газожидкостной или высокоэффективной жидкостной хроматографии. Наиболее распространён газохроматографический метод, особенно в сочетании с ИК-спектрометрией, позволяющий определять индивидуальные компоненты в смеси нефтепродуктов, что делает этот метод анализа незаменимым при установлении источника загрязнения почв, идентификации веществ нефтяного происхождения в процессе биодеградации, при исследовании процессов разрушения нефтепродуктов.
- Однако при выполнении массовых анализов его использование ограничено низкой производительностью и высокой стоимостью аналитических работ.
Загрязнение почв нефтью и нефтепродуктами. Реакция мезофауны и микроорганизмов - Происходит массовая гибель почвенной мезофауны: через три дня после аварии большинство видов почвенных животных полностью исчезает или составляет не более 1% контроля. Наиболее токсичными для них оказываются легкие фракции нефти.
- Комплекс почвенных микроорганизмов после кратковременного ингибирования отвечает на нефтяное загрязнение повышением валовой численности и усилением активности. Прежде всего, это относится к углеводородоокисляющим бактериям, количество которых резко возрастает относительно незагрязненных почв. Развиваются “специализированные “ группы, участвующие на разных этапах в утилизации УВ.
- Максимум численности микроорганизмов соответствует горизонтам ферментации и снижается в них по профилю почв по мере уменьшения концентраций УВ. Основной “ взрыв “ микробиологической активности падает на второй этап естественной деградации нефти.
- В процессе разложения нефти в почвах общее количество микроорганизмов приближается к фоновым значениям, но численность нефтеокисляющих бактерий еще долгое время превышает те же группы в незагрязненных почвах (южная тайга 10—20 лет).
- Изменение экологической обстановки приводит к подавлению фотосинтезирующей активности растительных организмов. Прежде всего, это сказывается на развитии почвенных водорослей: от их частичного угнетения и замены одних групп другими до выпадения отдельных групп или полной гибели всей альгофлоры. Особенно значительно ингибирует развитие водорослей сырая нефть и минеральные воды.
- Изменяются фотосинтезирующие функции высших растений, в частности злаков. Эксперименты показали, что в условиях южной тайги при высоких дозах загрязнения - более 20 л/м2 растения и через год не могут нормально развиваться на загрязненных почвах.
Загрязнение почв нефтью и нефтепродуктами. Влияние на биохимические показатели почвы - Исследования показали, что в загрязненных почвах снижается активность большинства почвенных ферментов. При любом уровне загрязнения ингибируются гидролазы, протеазы, нитратредуктазы, дигидрогеназы почв, несколько повышается уреазная и каталазная активности почв.
- Дыхание почв также чутко реагирует на нефтяное загрязнение. В первый период, когда микрофлора подавлена большим количеством УВ, интенсивность дыхания снижается, с увеличением численности микроорганизмов интенсивность дыхания возрастает.
Пути и факторы трансформации нефти в почве Самоочищение почвы идет несколькими путями. - Испарение легких фракций
- Минерализация нефти
- Физический вынос водными потоками
- Лимификация (превращение в нерастворимые в нейтральных органических растворителях продукты микробиологического метаболизма).
- Главный абиотический фактор трансформации – ультрафиолетовое излучение. Фотохимические процессы могут разлагать даже наиболее стойкие полициклические УВ за несколько часов.
Соотношение этих факторов самоочищения зависит от почвенно-климатических условий, состава и свойств самой нефти и глубины ее проникновения в почву. Оценка последствий загрязнения нефтью Оценивать последствия нефтяного загрязнения необходимо с учетом конкретного сочетания трех групп факторов: - сложность, уникальная поликомпонентность состава нефти, находящегося в состоянии постоянного изменения;
- сложность, гетерогенность состава и структуры любой экосистемы, находящийся в процессе постоянного развития и изменения;
- многообразие и изменчивость внешних факторов, под воздействием которых находится экосистема: температура, давление, влажность, состояние атмосферы, гидросферы и
Методы ликвидации нефтяных загрязнений почвы (Колесниченко, 2004)
Методы
|
Способы ликвидации
|
Особенности применения
|
Механические
|
Обвалка пятна, откачка нефти в ёмкости
|
Первичные мероприятия при крупных разливах при наличии соответствующей техники и резервуаров (проблема очистки почвы при просачивании нефти в грунт не решается)
| | |
Замена почвы
|
Вывоз почвы на свалку для естественного разложения
|
Физико-химические
|
Сжигание
|
Экстренная мера при угрозе прорыва нефти в водные источники. В зависимости от типа нефти и нефтепродукта уничтожается от 50 до 70% разлива, остальная часть просачивается в почву. Из-за недостаточно высокой температуры в атмосферу попадают продукты возгонки и неполного окисления нефти; землю после сжигания необходимо вывозить на свалку
| | |
Предотвращение возгорания
|
При разливе легковоспламеняющихся продуктов в цехах, жилых кварталах, на автомагистралях, где возгорание опаснее загрязнения почвы; изолируют разлив сверху противопожарными пенами или засыпают сорбентами
| | |
Промывка почвы
|
Проводится в промывных барабанах с применением ПАВ, промывные воды отстаиваются в гидроизолированных прудах или ёмкостях, где впоследствии проводятся их разделение и очистка
| | |
Дренирование почвы
|
Разновидность промывки почвы на месте с помощью дренажных систем; может сочетаться с использованием нефтеразлагающих бактерий
| | |
Экстракция растворителями
|
Обычно проводится в промывных барабанах летучими растворителями с последующей отгонкой их остатков паром
| | |
Сорбция
|
Разливы на сравнительно твёрдой поверхности (асфальт и т.д.) засыпают сорбентами
| | |
Термическая десорбция
|
Проводится редко при наличии соответствующего оборудования, позволяет получать полезные продукты вплоть до мазутных фракций
|
Биологические
|
Биоремедиация
|
Применяют нефтеразрушающие микроорганизмы. Необходима запашка культуры в почву. Периодические подкормки растворами удобрений, ограничение по глубине обработки, температуре почвы (выше 15ºС), процесс занимает 2-3 сезона
| | |
Фиторемедиация
|
Устранение остатков нефти путём высева нефтестойких трав (клевер ползучий, щавель, осока), активизирующих микрофлору, является окончательной стадией рекультивации
| |
Скачать 1.32 Mb.