Главная › Рождение ребенка › Этапы рекультивации нефтезагрязненных земель. Рекультивация нефтезагрязненных земель и водоемов при помощи биоразлагающих сорбентов

Этапы рекультивации нефтезагрязненных земель. Рекультивация нефтезагрязненных земель и водоемов при помощи биоразлагающих сорбентов

В ХМАО – Тарко-Сале в основу рекультивации загрязненных нефтью земель положен метод отчистки на месте разлива, основывающийся на способности наземных биогеоценозов к самоочищению почв (за счет испарения, вымывания, деструкции нефти под воздействием атмосферного кислорода, солнечной радиации, биодеградации) и к последующему восстановлению своих биоценотических характеристик.

Суть выполняемых рекультивационных работ состоит в ускорении процессов естественного самоочищения почв, в максимальной мобилизации внутренних ресурсов биогеоценозов на восстановление своих первоначальных функций при помощи комплекса различных агротехнических и агрохимических мероприятий.

Восстановление нефтезагрязненных земель является в настоящее время одним из сложных и в то же время малоизученных объектов рекультивации. Во всех мероприятиях, связанных с ликвидацией последствий загрязнения, с восстановлением нарушенных земель, необходимо исходить из главного принципа: не нанести экосистеме больший вред, чем тот, который уже нанесен при загрязнении.

Попадая в окружающую среду, ископаемые углеводороды, в частности нефть и продукты ее переработки, не только губят флору и фауну, но и наносят прямой вред здоровью человека. Положение усугубляется тем, что решение этого вопроса (как, впрочем, и большинство других экологических проблем) долгие годы откладывалось на будущее. В связи с этим нам кажется актуальным поднятие вопроса о снижение риска аварий на предприятиях, перерабатывающих нефть и занимающихся транспортировкой и распространением нефтепродуктов.

Среди методов ликвидации нефтяных загрязнений почв выделяются следующие группы методов:

Механические: обваловка загрязнения, откачка нефти в емкости насосами и вакуумными сборщиками. Проблема очистки 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 таким путем уничтожается от 1/2 до 2/3 разлива, остальное просачивается в почву. При сжигании из-за недостаточно высокой температуры в атмосферу попадают продукты возгонки и неполного окисления нефти. Землю после сжигания необходимо вывозить на свалку (так называемая "горелая земля");

Предотвращение возгорания. Применяется при разливах в цехах, жилых кварталах, на автомагистралях, где возгорание опаснее загрязнения почвы; в этом случае изолируют разлив сверху противопожарными пенами или засыпают сорбентами;

Промывка почвы. Проводится в промывных барабанах с применением ПАВ, промывные воды отстаиваются в гидроизолированных прудах или емкостях, где впоследствии производится их разделение и очистка;

Дренирование почвы. Разновидность промывки почвы на месте с помощью дренажных систем; может сочетаться с биологическими методами, использующими нефтеразлагающие бактерии;

Экстракция растворителями. Обычно осуществляется в промывных барабанах летучими растворителями с последующей отгонкой их остатков паром;

Сорбция. Сорбентами засыпают разливы нефтепродуктов на сравнительно твердой поверхности (асфальте, бетоне, утрамбованном грунте) для поглощения нефтепродукта и снижения опасности пожара;

Термическая десорбция (крекинг). Применяется при наличии соответствующего оборудования, но позволяет получать полезные продукты вплоть до мазутных фракций;

Химическое капсулирование. Новый метод, заключающийся в переводе углеводородов в неподвижную нетоксическую.

Биологические:

Фитомелиорация. Устранение остатков нефти путем высева нефтестойких трав (клевер ползучий, щавель, осока), активизирующих почвенную микрофлору; является окончательной стадией рекультивации загрязненных почв;

Биоремидиация. Применение нефтеразлагающих бактерий; необходима запашка культуры в почву, периодические подкормки растворами удобрений; ограничения по глубине обработке, температуре почвы; процесс занимает 2-3 сезона.

В настоящее время рекультивация нефтезагрязненных земель проводится, как правило, без достаточного научного обоснования. При сжигании нефти, засыпке загрязненных участков грунтом, вывозе загрязненной почвы в отвалы, т.е. при ликвидации разливов нефти на почвы последствием часто может быть необратимое уничтожение плодородного слоя почвы. Такие способы рекультивации совершенно неприемлемы. Механические и физические методы не могут обеспечить полного удаления нефти и нефтепродуктов с почвы, а процесс естественного разложения их в почвах чрезвычайно длителен, поэтому в настоящее время наиболее приемлемыми являются биологические методы.

Физико-химические свойства моющих поверхностно-активных веществ (ПАВ)

Общая характеристика поверхностно-активных веществ (ПАВ)

Поверхностно-активными веществами называются химические соединения, способные изменять фазовые и энергетические взаимодействия на различных поверхностях раздела фаз: «жидкость - воздух», «жидкость - твердое тело», «масло - вода» и так далее. Как правило ПАВ - это органическое соединение с асимметричной молекулярной структурой, содержащее в молекуле углеводородный радикал и одну или несколько активных групп. Углеводородная часть (гидрофобная) молекулы обычно состоит из парафиновых, ароматических, алкилароматических, алкилнафтеновых, нафтеноароматических, алкилнафтеноароматических углеводородов, различных по строению, разветвленности цепочек, молекулярной массе и другие. Активные (гидрофильные) группы являются наиболее часто кислородсодержащими (эфирные, карбоксильные, карбонильные, гидроксильные), а также азот-, серо-, фосфор-, серофосфорсодержащими (нитро-, амино-, амидо-, имидо-группы и тому подобное). Следовательно, поверхностная активность многих органических соединений в первую очередь зависит от их химического строения (в частности их полярности и поляризуемости). Такая структура, называемая дифильной, обусловливает поверхностную, адсорбционную активность ПАВ, то есть их способность концентрироваться на межфазовых поверхностях раздела (адсорбироваться), изменяя их свойства. Кроме того, адсорбционная активность ПАВ зависит также от внешних условий: температуры, характера среды, концентрации, вида фаз на границе раздела и так далее [, с.9].

По внешнему виду многие ПАВ представляют собой пасты, а некоторые жидкости или твердые мылообразные препараты, имеющие запах ароматических соединений. Практически все ПАВ хорошо растворяются в воде, образуя при этом в зависимости от концентрации большое количество пены. Кроме того, существует группа ПАВ, которая не растворяется в воде, но растворяется в маслах.

Главным физико-химическим свойством ПАВ является их поверхностная, или капиллярная активность, то есть их способность понижать свободную поверхностную энергию (поверхностное натяжение). Это основное свойство ПАВ связано с их способностью адсорбироваться в поверхностном слое на границе раздела двух соприкасающихся фаз: «жидкость-газ» (пар), «жидкость-жидкость», «жидкость-твердое тело». ПАВ обладают и рядом других свойств, важнейшие из них следующие.

Пенообразующая способность, то есть способность раствора образовывать устойчивую пену. Адсорбция на поверхностях, то есть переход растворенного вещества из объемной фазы в поверхностный слой. Смачивающая способность жидкости - это способность смачивать твердую поверхность или растекаться по ней. Эмульгирующая способность, то есть способность раствора веществ образовывать устойчивые эмульсии. Диспергирующая способность, то есть способность растворов ПАВ образовывать устойчивую дисперсию. Стабилизирующая способность, то есть способность растворов ПАВ сообщать устойчивость дисперсной системе (суспензии, эмульсии, пена) путем образования на поверхности частиц дисперсной фазы защитного слоя. Солюбилизационная способность - это способность повышать коллоидную растворимость мало- или совсем нерастворимых в чистом растворителе веществ. Моющая способность, то есть способность ПАВ или моющего средства в растворе осуществлять моющее действие. Биологическая разлагаемость, то есть способность ПАВ подвергаться разложению под воздействием микроорганизмов, что приводит к потере их поверхностной активности. Как будет показано в следующих разделах, отдельные свойства ПАВ имеют важное гигиеническое значение. Указанные и другие уникальные свойства многочисленных групп ПАВ позволяют использовать их для различных целей во многих отраслях народного хозяйства: в нефтяной, газовой, нефтехимической, химической, строительной, горнорудной, лакокрасочной, текстильной, бумажной, легкой и других отраслях промышленности, сельском хозяйстве, медицине и так далее .

Классификация поверхностно-активных веществ (ПАВ)

Для систематизации большого количества соединений, обладающих поверхностно-активными свойствами, предложен ряд классификаций, в основу которых положены различные признаки: содержание анализируемых элементов, структура и состав веществ, способы их получения, сырьевые источники, области применения и так далее. Та или иная классификация, кроме систематизации большого набора веществ, имеет преимущественную область применения. В частности, по содержанию определяемых элементов все ПАВ рекомендуется делить на пять групп. К первой группе отнесены ПАВ, в составе которых определяются углерод, водород и кислород. В остальных группах ПАВ, кроме указанных, содержится ряд других элементов. В составе второй группы ПАВ содержатся углерод, водород, кислород и азот. Третья группа ПАВ в молекуле содержит пять элементов: углерод, водород, кислород, азот и натрий. В составе молекулы ПАВ, отнесенных к четвертой группе, определяются углерод, водород, кислород, сера и натрий. Шесть элементов: углерод, водород, кислород, азот, сера и натрий содержатся в молекуле ПАВ, отнесенных к пятой группе. Данная классификация используется при качественном анализе ПАВ.

Наиболее полной и широко используемой является классификация, основанная на структурных особенностях и составе вещества .

В соответствии с данной классификацией все ПАВ подразделяются на пять больших классов: анионоактивные. катионоактивные, амфолитные, неионогенные, высокомолекулярные.

Анионоактивные ПАВ - это соединения, функциональные группы которых в результате диссоциации в растворе образуют положительно заряженные органические ионы, обусловливающие поверхностную активность.

Катионоактивные ПАВ в результате диссоциации в растворе из функциональных групп образуют положительно заряженные длинноцепочечные органические ионы, что обусловливает их поверхностную активность.

Амфолитные ПАВ - это соединения с несколькими полярными группами, которые в водном растворе, в зависимости от условий (величины рН, растворителя и так далее), могут диссоциироваться с образованием анионов или катионов, что придает им свойства анионного или катионного ПАВ.

Неионогенные ПАВ - это соединения, практически не образующие в водном растворе ионов. Растворимость их в воде определяется наличием в воде нескольких молярных групп, имеющих сильное сродство с водой.

Высокомолекулярные ПАВ по механизму и адсорбционной активности значительно отличаются от дифильных ПАВ. Для большинства высокомолекулярных ПАВ характерна линейная структура цепи, но встречаются среди них также полимеры разветвленного и пространственного соединения. По характеру диссоциации полярных групп высокомолекулярные ПАВ также разделяются на ионогенные (анионные, катионные, амфолитные) и неионогенные.

Полимеры принято делить на три группы: органические, элементоорганические и неорганические. Органические полимеры содержат, кроме атомов углерода, атомы водорода, кислорода, азота, серы и галоидов. Элементоорганические полимеры содержат атомы углерода и гетероатомы. Неорганические полимеры не содержат атомов углерода. В процессе нефтегазодобычи в основном используются органические и элементоорганические полимеры.

По назначению в ходе технологического процесса добычи нефти ПАВ могут быть разделены на ряд групп.

Деэмульгаторы - ПАВ, используемые для подготовки нефти.

Ингибиторы коррозии - химические реагенты, которые при добавлении в коррозионную среду резко замедляют или даже приостанавливают процесс коррозии.

Ингибиторы парафино- и солеотложений - это химические реагенты, предотвращающие выпадание высокомолекулярных органических соединений и неорганических солей в призабойной зоне пласта, оборудовании скважин, промысловых коммуникациях и аппаратах или способствующие удалению выпавшего осадка. К ингибиторам солеотложения относится большая группа химических соединений органической и неорганической природы. Они подразделяются также на однокомпонентные (анионные и катионные) и многокомпонентные. По растворимости бывают масло-, водо- и нефтерастворимые. В группу анионных ингибиторов

Бактерицидные препараты в процессе добычи нефти применяются для подавления роста различных микроорганизмов в призабойной зоне скважин, в нефтегазопромысловых сооружениях и оборудовании.

По степени биологического разложения под действием микроорганизмов ПАВ разделяют на биологически жесткие и биологически мягкие.

По растворимости в различных средах ПАВ разделяют на три большие группы: водорастворимые, маслорастворимые и водомаслорастворимые. Водорастворимые ПАВ объединяют ионогенные (анионоактивные, катионоактивные и амфолитные) и неионогенные ПАВ и проявляют поверхностную активность на границе раздела «вода-воздух», то есть снижают поверхностное натяжение электролита на границе с воздухом. Они применяются в виде водных растворов в качестве моющих и очищающих средств, флотационных реагентов, пеногасителей и пенообразователей, деэмульгаторов, ингибиторов коррозии, добавок к строительным материалам и тому подобное.

Маслорастворимые ПАВ не растворяются и не диссоцируют в водных растворах. Они содержат гидрофобные активные группы и разветвленную углеродную часть значительной молекулярной массы. Эти ПАВ слабо поверхностноактивны на границе раздела нефтепродуктов и воздуха. Поверхностная активность данных ПАВ в малополярных средах проявляется прежде всего на границах раздела с водой, а также на металлических и других твердых поверхностях. Маслорастворимые ПАВ в нефтепродуктах и в других малополярных средах обладают следующими функциональными свойствами: детергентными, диспергирующими, солюбилизирующими, противокоррозионными, защитными, антифрикционными и другие.

Водомаслорастворимые, как видно из названия, способны растворяться как в воде, так и в углеводородах (нефтяных топливах и маслах). Это обусловлено наличием в молекулах гидрофильной группы и длинных углеводородных радикалов.

Приведенные классификации, основанные на различных принципах, значительно облегчают ориентацию среди большого разнообразия соединений, обладающих свойствами поверхностно-активных веществ .

Моющее действие поверхностно-активных веществ (ПАВ)

Согласно теории, выдвинутой ещё в 30-е годы Ребиндером , основой моющего действия ПАВ и моющих средств является их поверхностная активность при достаточной механической прочности и вязкости адсорбционных пленок. Последнее условие выполнимо при оптимальной коллоидности растворов. Образовавшиеся пленки должны быть как бы твердыми за счет полной ориентации полярных групп в насыщенных адсорбционных слоях и коагуляции ПАВ в адсорбционном слое. Эти явления наблюдаются только в растворах поверхностно- активных полуколлоидов.

Таким образом, процесс моющего действия определяется химическим строенном ПАВ и физико-химическими свойствами их водных растворов.

По химическому строению и поведению в водных растворах ПАВ разделяют на три основных класса: анионоактивные, неионогенные и катионоактивные

Анионоактивные и катионоактивные вещества, диссоциируя в водных растворах, образуют соответственно анионы и катионы, которые определяют их поверхностную активность. Неионогенные ПАВ не диссоциируют в воде, их растворение идет за счет образования водородных связей.

Как известно, ПАВ характеризуются двойственностью свойств, связанной с асимметрией их молекулы, причем влияние этих противоположных асимметрично локализованных в молекуле свойств может проявиться раздельно или одновременно.

Так, способность ПАВ к адсорбции сопровождается ориентацией на поверхности водного раствора в результате уменьшения свободной энергии системы. С этими свойствами связана и способность ПАВ понижать поверхностное и межфазное натяжение растворов, обеспечивать эффективное эмульгирование, смачивание, диспергирование, пенообразование .

Водные растворы коллоидных ПАВ концентрацией выше ККМ обнаруживают способность поглощать значительные количества нерастворимых или малорастворимых в воде веществ (жидких, твердых). Образуются прозрачные, устойчивые, не расслаивающиеся со временем растворы. Это явление - самопроизвольный переход в раствор нерастворимых или малорастворимых веществ под действием ПАВ, как известно,называют солюбилизацией или коллоидным растворением.

Указанные свойства водных растворов ПАВ обусловливают их широкое применение для отмывания загрязнений различных поверхностей.

Как правило, ни одно ПАВ не обладает совокупностью свойств, необходимых для оптимального проведения моющего процесса. Хорошие смачиватели могут плохо удерживать загрязнения в растворе, а вещества, хорошо удерживающие загрязнения, обычно являются плохими смачивателями. Поэтому при составлении рецептуры моющего препарата применяют смесь ПАВ и добавок, улучшающих определенные свойства ПАВ или композиции в целом. Так, в композиции технических моющих средств вводят щелочные добавки, которые омыляют жировые загрязнения и придают заряд капелькам образующихся в растворе эмульсий и дисперсий.[, с.12-14]

Сталагмометрическое определение поверхностного и межфазного натяжений водных растворов поверхностно-активных веществ (ПАВ)

Описание сталагмометра

В качестве средства измерения используется сталагмометр СТ-1.

Основной частью прибора является микрометр 1, обеспечивающий фиксированное перемещение поршня 2 в цилиндрическом стеклянном корпусе медицинского шприца 3. Шток поршня 2 соединен с пружиной 4, благодаря чему исключается его самопроизвольное перемещение.

Микрометр со шприцом укреплены с помощью скобы 5 и втулки 6, которая может свободно передвигаться по стойке штатива 7 и фиксироваться на любой ее высоте винтом 8. На наконечник шприца надета игла 9, которая плотно входит в капиллярную трубка из нержавеющей стали 10 (капилляр). Для определения поверхностного натяжения растворов ПАВ на границе с воздухом используется капилляр с прямым кончиком, а для межфазного натяжения методом счета капель – капилляр с загнутым кончиком. При вращении микровинта, пружина 4, сжимаясь, давит на шток поршня 2, который, перемещаясь в корпусе шприца, заполненного исследуемой жидкостью, выдавливает ее из кончика капилляра 10 в виде капли. При достижении критического объема капли отрываются и падают (для измерения поверхностного натяжения методом счета капель) или всплывают и образуют слой (для измерения межфазного натяжения методом объема капель).

Рисунок 2 – Установка по определению межфазного натяжения СТ-1

Поскольку величина межфазного и поверхностного натяжения зависит от температуры соприкасающихся фаз, сталагмометр помещен в термостатирующий шкаф.

Определения поверхностного натяжения растворов ПАВ методом счета капель

Поверхностное натяжение (σ) возникает на границе раздела фаз. Молекулы на границах раздела фаз не полностью окружены другими молекулами того же вида по сравнению с соответствующими молекулами в объеме фазы, поэтому поверхность раздела фаз в межфазном поверхностном слое всегда является источником силового поля. Результат этого явления – нескомпенсированность межмолекулярных сил и наличие внутреннего или молекулярного давления. Для увеличения площади поверхности необходимо вывести молекулы из объемной фазы в поверхностный слой, совершив работу против межмолекулярных сил.

Поверхностное натяжение растворов определяют методом счета капель с использованием сталагмометра, который заключается в отсчете капель при медленном вытекании исследуемой жидкости из капилляра. В данной работе используется относительный вариант метода, когда одна из жидкостей (дистиллированная вода), поверхностное натяжение которой при данной температуре точно известно, выбирается в качестве стандартной.

Перед началом работы шприц сталагмометра тщательно промывают хромовой смесью, затем несколько раз ополаскивают дистиллированной водой, так как следы ПАВа сильно искажают полученные результаты.

Сначала опыт проводят с дистиллированной водой: набирают раствор в прибор и дают жидкости по каплям вытекать из сталагмометра в стаканчик. Когда уровень жидкости достигнет верхней метки, начинают отсчет капель n 0 ; отсчет продолжают до достижения уровнем нижней метки. Эксперимент повторяют 4 раза. Для расчета поверхностного натяжения используют среднее значение количества капель. Разница между отдельными отсчетами не должна превышать 1-2 капли. Поверхностное натяжение воды σ 0 табличная величина. Плотность растворов определяется пикнометрически.

Повторяют эксперимент для каждой исследуемой жидкости. Чем меньше поверхностное натяжение истекающей из сталагмометра жидкости, тем меньший объем имеет капля и тем больше будет число капель. Сталагмометрический метод дает достаточно точные значения поверхностного натяжения растворов ПАВ. Измеряют число капель n исследуемого раствора, вычисляют поверхностное натяжение δ по формуле

, (1)

где s 0 – поверхностное натяжение воды при температуре опыта;

n 0 и n х – число капель воды и раствора;

r 0 и r х – плотности воды и раствора.

По полученным данным эксперимента строится график зависимости величины поверхностного натяжения на границе раствор «ПАВ – воздух» от концентрации (изотерма поверхностного натяжения).

Описание реагента ПАВ

В качестве моющего средства использовался препарат «DeltaGreen», применяющийся в настоящее время для обезжиривания или очистки деталей и ёмкостей многих технологических процессов. Для очистки почвы от нефти ранее его не использовали.

Средство под торговым названием «DeltaGreen» концентрат» производится научно-производственной фирмой «Pro Green International, LLC» . Это жидкость светло-зелёного цвета, не содержит растворителей, кислот, едких, вредных отбеливающих веществ и аммиака, продукт безвреден для людей, животных, окружающей среды, полностью биологически разлагаем, не канцерогенный, не коррозийный, неограниченно и без остатка растворим в воде, без запаха, рН 10,0 ± 0,5. Следовательно, его использование не приводит к дополнительному загрязнению природной среды, как это бывает при химических методах с использованием различных растворителей, эмульгаторов и тому подобное.

Рисунок 4 –Изменение относительного поверхностного натяжения

Как видно, для раствора концентрацией 0,1 % поверхностное натяжение меньше примерно на 15%. Максимальное изменение характерно для раствора 5% концентрации, оно составляет 40% или снижено в 2,5 раза. При этом значения для 2.5 и 5 % близки.

Межфазное натяжение на границе нефть – дистил вода составляет 30,5 мн/м. Эксперименты проводили с нефтью….

Результаты представлены в таблице 3.

Таблица 3 – Результаты измерения межфазного натяжения растворов ПАВ, дистиллированная вода

Концентрация, %	Значения лимба	Константа	Плотность раствора, г/см 3	Плотность нефти,	Межфазное натяжение, мН/м
Дистил-лированная вода		0,008974			30,5
0,1		0,008974			15,9
0,2		0,008974			13,3
0,3		0,008974			10,6
0,4	6,5	0,008974			8,6
0,5		0,008974			6,6
1,0	2,5	0,008974			3,3
2,5	1,5	0,008974			2,0
5,0	1,3	0,008974			1,7

Как видно, максимальное снижение МН характерно для 5% раствора. Снижение составляет примерно 19 раз, что представлено ярко на рисунке 6.

Рисунок 5 – Изотерма межфазного натяжения растворов ПАВ, дистиллированная вода

Рисунок – 6

По рисунку видно, что значения для 2.5 и 5 % близки. Оба значения предположительно покажут высокую отмывающую способность, что следуетподтвердить в последующих экспериментах по отмыву почвы и песка от нефтяного загрязнения.

Загрязнение почв нефтью

Общие положения

В последние годы проблема нефтяных загрязнений становится все более актуальной. Развитие промышленности и транспорта требует увеличения добычи нефти как энергоносителя и сырья для химической промышленности, а вместе с тем, это одна из самых опасных для природы индустрий.

Вторжение в биосферу потоков нефти и нефтепродуктов, физические изменения ландшафтов, все это вызывает существенные, а часто и необратимые, изменения в экосистемах.

Острота проблемы определяется региональным размахом нефтедобычи: в современную эпоху нефть может добываться на 15 % поверхности земного шара, в том числе, более чем на 1/3 поверхности суши . В мире насчитывается более 40 тысяч нефтяных месторождений - потенциальных очагов воздействия на природную среду. В настоящее время ежегодно во всем мире добывается от 2 до 3 миллиардов тонн нефти и по весьма приближенным, но явно не сниженным, данным, ежегодно поверхность земного шара загрязняется порядка 30 миллионов тонн нефти, что эквивалентно потере человечеством одного крупного нефтяного месторождения .

Ежегодно миллионы тонн нефти выливаются на поверхность Мирового океана, попадают в почву и грунтовые воды, сгорают, загрязняя воздух. Большинство земель в той или иной мере загрязнены сейчас нефтепродуктами. Особенно сильно это выражено в тех регионах, через которые проходят нефтепроводы, а также богатых предприятиями химической промышленности, использующими в качестве сырья нефть или природный газ. Ежегодно десятки тонн нефти загрязняют полезные земли, снижая ее плодородие, но до сих пор этой проблеме не оказывают должного внимания .

Основной источник загрязнения почвы нефтью – антропогенная деятельность. В естественных условиях нефть залегает под плодородным слоем почвы на больших глубинах и не производит существенного на нее влияния. В нормальной ситуации нефть не выходит на поверхность, происходит это только в редких случаях в результате подвижек горных пород, тектонических процессов, сопровождающихся поднятием грунта.

Загрязнение окружающей среды нефтью и нефтепродуктами происходит при освоении нефтегазовых ресурсов недр и на предприятиях нефтяной индустрии. Под освоением нефтегазовых ресурсов недр понимается весь цикл работ от поисков месторождений нефти и газа до разработки последних, включительно. Под нефтяной индустрией подразумевается не только все, что связано с транспортом нефтепродуктов и нефти, переработкой последней, но и все, что связано с потреблением нефтепродуктов, как промышленными предприятиями, так и всем парком транспортных средств. На рисунке 1 показаны основные этапы загрязнения окружающей среды нефтью и нефтепродуктами.

Рисунок 1 – Основные этапы загрязнения окружающей среды нефтью и нефтепродуктами

Каждый этап в технологической цепочке движения нефти из недр до получения нефтепродуктов связан с нанесением ущерба окружающей среде. Негативному воздействию окружающая среда подвергается, начиная уже с поискового этапа. Однако наибольшее воздействие на биосферу оказывают процессы переработки, хранения и транспортировки нефти и нефтепродуктов.

Районы и источники загрязнений нефтью можно условно разделить на две группы: временные и постоянные («хронические»). К временным районам можно отнести нефтяные пятна на водной поверхности, разливы при транспортировке. К постоянным относятся районы нефтедобычи, на территории которых земля буквально пропитана нефтью в результате многократных утечек.

Почва - биологически активная среда, насыщенная большим количеством всевозможных микроорганизмов (бактерий и грибков).

За счет загрязнения нефтью в почве резко возрастает соотношение между углеродом и азотом, что ухудшает азотный режим почв и нарушает корневое питание растений. Кроме того, нефть, попадая на поверхность земли и впитываясь в грунт, сильно загрязняет подземные воды и почву, в результате чего плодородный слой земли не восстанавливается в течение длительного периода времени. Объясняется это тем, что из грунта вытесняется кислород, необходимый для жизнедеятельности растений и микроорганизмов. Почва самоочищается обычно очень медленно путем биологического разложения нефти .

Специфика загрязнения земель нефтепродуктами заключается в том, что последние долго разлагаются (десятки лет), на них не растут растения и выживают не многие виды микроорганизмов. Восстановить земли можно путем удаления загрязненного почвенного слоя вместе с нефтью. Далее может следовать либо засев культурами, которые в получившихся условиях смогут дать наибольшее количество биомассы, либо завоз незагрязненной почвы.

Почвы считаются загрязненными нефтепродуктами, если концентрация нефтепродуктов достигает уровня, при котором:

Начинается угнетение или деградация растительного покрова;

Падает продуктивность сельскохозяйственных земель;

Нарушается экологическое равновесие в почвенном биоценозе;

Происходит вытеснение одним-двумя произрастающими видами растительности остальных видов, ингибируется деятельность микроорганизмов;

Происходит вымывание нефтепродуктов из почв в подземные или поверхностные воды.

Безопасным уровнем загрязнения почв нефтепродуктами рекомендуется считать уровень, при котором не наступает ни одного из негативных последствий, перечисленных выше, вследствие загрязнения нефтепродуктами.

Таким образом, нефть представляет собой смесь углеводов и их производных, в целом свыше тысячи индивидуальных органических веществ, каждое из которых может рассматриваться как самостоятельный токсикант. Основной источник загрязнения почвы нефтью - антропогенная деятельность. Загрязнение происходит в районах нефтепромыслов, нефтепроводов, а также при перевозке нефти.

Восстановление загрязненных нефтепродуктами земель проходит либо засевом культур, устойчивых к нефтяному загрязнению, либо завозом незагрязненной почвы, что осуществляется в три основных этапа: удаление загрязненной нефтью почвы, рекультивация нарушенного ландшафта, мелиорация .

Рекультивация нефтезагрязнённых земель

Нефтяное загрязнение отличается от многих других антропогенных воздействий тем, что оно дает не постепенную, а, как правило, «залповую» нагрузку на среду, вызывая быструю ответную реакцию. При оценке последствий такого загрязнения не всегда можно сказать, вернется ли экосистема к устойчивому состоянию или будет необратимо деградировать. Во всех мероприятиях, связанных с ликвидацией последствий загрязнения, с восстановлением нарушенных земель, необходимо исходить из главного принципа: не нанести экосистеме больший вред, чем тот, который уже нанесен при загрязнении. Суть восстановления загрязненных экосистем – максимальная мобилизация внутренних ресурсов экосистемы на восстановление своих первоначальных функций. Самовосстановление и рекультивация представляют собой неразрывный биогеохимический процесс.

Естественное самоочищение природных объектов от нефтяного загрязнения - длительный процесс, особенно в условиях Сибири, где долгое время сохраняется пониженный температурный режим. В связи с этим, разработка способов очистки почвы от загрязнения углеводородами нефти - одна из важнейших задач при решении проблемы снижения антропогенного воздействия на окружающую среду.

В век технической революции необычайно быстро развиваются все отрасли наук, и особенно интенсивное развитие получают направления, стоящие на стыке различных областей естественнонаучной и производственной деятельности человека. За последнее десятилетие ученые различных отраслей науки уделяют пристальное внимание вопросам охраны биосферы от загрязнений, охраны и воспроизводства земельных, флористических и фаунисти

Ротарь О.В. 1 , Искрижицкая Д. В. 2 , Искрижицкий А. А. 3

1 Кандидат химических наук, доцент, Национальный исследовательский Томский политехнический университет, 2 Магистрант, Национальный исследовательский Томский политехнический университет, 3 Главный специалист, Томский научно-исследовательский и проектный институт нефти и газа

БИОЛОГИЧЕСКАЯ РЕКУЛЬТИВАЦИЯ НЕФТЕЗАГРЯЗНЕННЫХ ГРУНТОВ

Аннотация

Исследован механизм проникновения и распределения нефти по горизонтам почвы, проведена идентификация продуктов разложения нефти в почве. Определена эффективность рекультивационных работ с использованием промышленного биопрепарата «Микрозим».

Ключевые слова : нефть, биологический препарат «Микрозим», идентификация

Rotar O.V. 1 , Iskizhitskaya D.W. 2 , Iskrizhitsky A.A. 3

1 PhD in Chemise associate professor National Research Tomsk Polytechnic University, 2 Undergraduate, National Research Tomsk Polytechnic University, 3 Senior Specialist, Tomsk Scientific Research and Design Institute of Oil and Gas

BIOLOGICAL REVEGETATION THE PETROPOLLUTED GROUNDS

Abstract

The purpose of the given work is research of the mechanism of penetration and distribution of oil on horizons of the ground; identification the products of decomposition oil in the ground. Definition of efficiency revegetation works with use of the industrial biological product “Microzim”.

Keywords : oil, biological product “Microzim”, Identification

Добыча, транспортировка, хранение и переработка нефти и нефтепродуктов очень часто становятся источниками загрязнения окружающей среды. Нефтяное загрязнение отличается от многих других антропогенных воздействий тем, что оно дает не постепенную, а, как правило, «залповую» нагрузку на среду, вызывая быструю ответную реакцию. Рекультивация – это ускорение процесса самоочищения, при котором используются природные резервы экосистемы: климатические, микробиологические, ландшафтно-геохимические. Важную роль играют и состав нефти, наличие сопутствующих солей, начальная концентрация загрязняющих веществ.

С целью увеличения скорости ремедиации почвенных экосистем и, как следствие, уменьшения негативного воздействия ни них применяют различные технологии восстановления нефтезагрязненных почв. Так, технологии классифицируются по категориям in situ и ex situ.

Технологии ex situ используются для обработки загрязненной почвы, предварительно удаленной с поверхности выделенного участка земли. Этот метод позволяет применять сложные приемы обработки, которые могут быть эффективными и быстродействующими, более безопасными для грунтовых вод, животного и растительного мира.

Технологии in situ имеют преимущества вследствие непосредственного применения их на месте загрязнения. В результате снижается риск воздействия загрязняющих веществ на человека и окружающую среду во время извлечения, транспортировки и восстановления загрязненных участков почв, что, в свою очередь, обеспечивает экономию средств. К биологическим методам рекультивации относят сельскохозяйственную обработку почвы, биоремедиацию, фитомелиорацию и естественное разложение токсикантов в почве. Метод биоремедиация основан как на стимулирующем действии аборигенных почвенных микроорганизмов, так и на действии предварительно культивированной биомассы бактерий в виде биологических препаратов.

Наиболее эффективным методом обезвреживания попавших в сточную воду и почву нефтепродуктов являются биотехнологии, которые основаны на окислении нефтепродуктов микроорганизмами, способными использовать нефтепродукты как источник энергии. Традиционные методы рекультивации, такие как землевание, выжигание или сгребание и вывоз загрязненного слоя, в настоящее время устарели и являются неэффективными . При сжигании нефти происходит накопление токсичных и канцерогенных веществ; при землевании – замедление процессов разложения нефти, образование внутрипочвенных потоков нефти и пластовой жидкости, загрязнение грунтовых вод. Таким образом, механические и физические методы не всегда могут обеспечить полное удаление нефти и нефтепродуктов из почвы, а процесс естественного разложения загрязнения в почвах чрезвычайно длителен.

Разложение нефти и нефтепродуктов в почве в естественных условиях – процесс биогеохимический, в котором главное и решающее значение имеет функциональная активность комплекса почвенных микроорганизмов, обеспечивающих полную минерализацию нефти и нефтепродуктов до углекислого газа и воды. Так как углеводородокисляющие микроорганизмы являются постоянными компонентами почвенных биоценозов, естественно возникло стремление использовать их катаболическую активность для восстановления загрязненных нефтью почв.

Биологическая рекультивация – это рекультивация, проводимая после механической очистки земель от основной массы нефти, основанная на интенсификации микробиологической деградации остаточных углеводородов.

Цель данного исследования состоит в изучение механизма проникновения и распределения нефти и продуктов ее разложения в почве, а также определение эффективности очистки загрязненных нефтью земель с использованием биопрепарата «Микрозим».

Биологические препараты представляют собой активную биомассу микроорганизмов, использующих нефтяные углеводороды в качестве источника энергии и трансформирующих их в органическое вещество собственной биомассы. Исследование проводилось на модельных системах, имитирующих почвенное загрязнение разной степени. В задачу исследования входило проведение отбора проб почв для определения остаточного количества нефти и идентификация продуктов деградации.

Необходимым условием эксперимента являлось соблюдение факторов, присущих природным условиям. Рыхление загрязненных почв увеличивает диффузию кислорода в почвенные агрегаты, снижает концентрацию углеводородов и способствует равномерному распределению компонентов нефти и нефтепродуктов в почве.

Идентификацию продуктов деградации определяли методами газо-жидкостной хроматографии, ультрафиолетовой спектроскопии .

Основные результаты

Оптимальной температурой для разложения нефти и нефтепродуктов в почве является 20°-37°С. Благоприятный водный режим достигался путем полива. Улучшение водного режима обусловливает улучшение агрохимических свойств почв, в частности влияет на активное движение питательных веществ, микробиологическую деятельность и активность биологических процессов. Установлена большая неоднородность распределения нефтяных компонентов, что зависит от физических и химических свойств конкретных почв, качества и состава разлитой нефти.

Как показали исследования, распределение нефти в почве происходит согласно профилю горизонтов. В зависимости от состава и структуры почвы, ее пористости, водопроницаемости, влагоемкости нефть, как смесь химических соединений, распределяется на различную глубину. Битумозные фракции были зафиксированы на глубине 7 см, смолистые фракции – 12 см, легкие -24 см, водорастворимые соединения были обнаружены на глубине 39 см. Содержание нефти в почве резко снижается в первые месяцы после загрязнения – на 40 – 50%. В дальнейшем это снижение идет очень медленно. Окисление углеводородов до CО 2 и Н 2 О происходит по стадиям через образование ряда промежуточных продуктов. Методом газожидкостной хроматографии установлено, что такими продуктами являются кислородные соединения: спирты, органические кислоты, альдегиды.

Смолистые вещества, соединения с атомами серы, азота, полученные в результате трансформации углеводородного сырья, не мигрируют и надолго остаются в почве.

Состав и соотношение продуктов метаболизма зависят от состава исходной нефти и почвенно-климатических условий . В опыте изучения процессов деструкции углеводородов препаратами нефтеокисляющих микроорганизмов, учитывалось влияние на эти процессы климатических условий района, которые характеризуются суровой и продолжительной зимой, коротким, но порой жарким летом и коротким весенне-осенним периодом. Поэтому для приближения исследуемых условий к реальным условиям использовали климатическую камеру, холодильную установку и естественные условия. Препарат добавлялся к пробам грунта с остаточным содержанием нефтепродуктов 20%. Пробы выдерживались при температуре 18°-20°С в течение 10 дней, а затем помещались в морозильную камеру и при температуре -20°С выдерживались с целью имитации зимних условий 60 суток. Как показали наблюдения, после пребывания препарата в камере эффективность его работы снизилась незначительно (8-11 %). Таким образом, можно сделать вывод о возможности внесения препаратов поздней осенью, которые могут включиться в работу весной при наступлении благоприятных условий для их жизнедеятельности.

Кислая среда отрицательно влияет на ферментативный аппарат клеток, а это может замедлить процессы разложения нефтепродуктов. Предварительно определяли кислотность почвы и корректировали ее путем внесения в почву расчетное количество извести.

Для стимулирования почвенной микрофлоры на агротехническом этапе рекультивации использовали комплексные минеральные удобрения (нитроаммофоска, нитрофоска) в дозе 100-120 кг азота на 1 га.

В качестве бактериального препарата использовали «Микрозим», который является биологическим деструктором углеводородов нефти нового поколения, и представляет собой концентрированный биопрепарат уникальных штаммов углеводородокисляющих микроорганизмов, комплекса минеральных солей и ферментов. В процессе жизнедеятельности микроорганизмы активно синтезируют собственные ферменты и биологические поверхностно – активные вещества, ускоряющие разложение загрязнителя и облегчающие его микробиологическое усвоение. Происходит активное биохимическое разложение нефти и нефтепродуктов на СО 2 , Н 2 О и, безвредные для окружающей среды, продукты микробного метаболизма.

По критерию максимального потребления углеводородов эффективность очистки составляет 50% нефти за 14 суток после первой обработки почвы биопрепаратом, до 85% в течение первого месяца и до 98% в течение месяца после повторной обработки. Скорость биологического разложения углеводородов в реальных условиях зависит от регулярности и интенсивности доступа кислорода. Потребление 99% углеводородов в реальных условиях достигается в сроки от 2 месяцев при низких и до 4 месяцев – при высоких концентрациях нефтепродукта. Через 24 часа после внесения препарата в почву достигается уровень микробиологической активности, характеризующийся активным выделением СО 2. .

Обработка почвы биопрепаратом значительно активизирует процессы самоочищения почвы, восстанавливает норматив кислородного режима почвы и интенсифицирует активность гидролитических и окислительно-восстановительных ферментов уже в течение первых 10-14 суток (табл.1).

Таблица 1- Эффективность препарата «Микрозим» в пробах с разным уровнем первоначального загрязнения

	Уровень загрязнения, %	Время воздействия препарата, сутки
	Уровень загрязнения, %
1	Низкий
2	Средний
3	Высокий

На опытных площадках с высоким уровнем загрязнения отмечалось различие в результатах по биодеградации нефти. Проведение только агротехнических мероприятий (фрезеровка, внесение минеральных удобрений) эффективно лишь на участках старых разливов или на объектах с невысоким уровнем нефтяного загрязнения.

Таблица 2 – Эффективность рекультивационных мероприятий на участке с высоким уровнем загрязнения

Проведение только агротехнических мероприятий дают эффект снижения уровня загрязнения на 15-20 % в течение одного сезона, только препарата «Микрозим» – до 40 %, а комплексная рекультивация (агротехнические мероприятия и использование биопрепарата) способствует очистке почв на 60-80 % в течение одного сезона работ. Эффективность рекультивационных мероприятий представлена в табл. 2.

Таким образом, осуществляется биологический круговорот: расщепление углеводородов, загрязняющих почву, микроорганизмами, то есть их минерализация с последующей гумификацией.

Литература

1. Врагов А.В., Князева Е. В., Нуртдинова Л. А. Проведение рекультивации земель. НГУ, Новосибирск, 2000. 67 с.

2. Булатов А.И., Макаренко П.П., Шеметов В.Ю. Справочник инженера-эколога нефтегазодобывающей промышленности по методам анализа загрязнителей окружающей среды: В 3ч. – М:ООО «Недра-Бизнесцентр», 1999.-Ч.2: Почва.- 634 с.

3. Ротарь О.В., Искрижицкий А.А. Некоторые аспекты биологической рекультивации Экологическое сопровождение нефтегазовых месторождений. РАН СО Новосибирск: 2005.С. 83-96.

4. Сметанин В.И. Рекультивация и обустройство нарушенных земель. -М: Колос, 2000. 96 с.

2.3 Методы биоиндикации и биотестирования почв

Биодиагностика антропогенных изменений относится к экспрессным методам анализа и, кроме того, дает комплексную оценку экологического состояния почвы. Существует множество биологических показателей, с помощью которых оценивается состояние почв. Наиболее важными являются интегральные показатели биологической активности: токсичность, «дыхание», количество свободных аминокислот и белков. Интенсивность дыхания почвы является исключительно вариабельной величиной и зависит от большого количества факторов (температурного режима, влажности, состояния фитоценоза и др.). Для оценки экологического влияния загрязнений необходимо проводить сравнение данных, полученных на разных участках в максимально близких условиях. Информативными являются и другие показатели, например, ферментативная активность.

Попадание нефти и нефтепродуктов в почву приводит к изменению активности основных почвенных ферментов, что влияет на обмен азота, фосфора, углерода и серы (Киреева, Новоселова и др., 2001). Устойчивые изменения в активности некоторых почвенных ферментов могут использоваться в качестве диагностических показателей загрязнения почв нефтью. Удобна для этой цели группа ферментов, объединяемых под общим названием почвенные уреазы. Во-первых, они меньше подвержены воздействию других экологических факторов и, во-вторых, прослеживается четкая зависимость их активности от степени загрязнения почв (Киреева, Водопьянов и др., 2001).

Применение микроорганизмов для оценки интегральной токсичности почвы и создание на их основе комплексной системы чувствительных, достоверных и экономичных биотестов является перспективной областью исследований. Многие физиологические группы почвенных микроорганизмов проявляют чувствительность по отношению к нефтяным углеводородам.

Общая численность микроорганизмов, как правило, достаточно четко отражает микробиологическую активность почвы, скорость разложения органических веществ и круговорота минеральных элементов. На основании данного показателя можно не только судить о степени загрязненности почвы нефтью, но и о ее потенциальной способности к восстановлению, а также о процессах разложения нефти в естественных природных условиях и при рекультивации загрязненных почв (Киреева, 1995).

Нефтяное загрязнение может также способствовать накоплению в почве микроскопических грибов, вызывающих заболевания растений и фитотоксины (Киреева, Кузяхметов и др., 2003). Последнее обстоятельство играет немаловажную роль при разработке мероприятий по фитомелиорации нефтезагрязненных земель.

Непосредственное воздействие нефти на растительный покров в том, что замедляется рост растений, нарушаются функции фотосинтеза и дыхания, отмечаются различные морфологические нарушения, сильно страдают корневая система, листья, стебли и репродуктивные органы. Оперативную информацию о фитотоксичности загрязненной почвы можно получить, используя в качестве тест-объектов семена и проростки растений. Для удобства постановки тестов на токсичность семена подбирают по размерам и скорости их прорастания. Часто используют семена редиса, кресс-салата, кукурузы, зерновых. В качестве тест-функции выступают показатели всхожести семян, дружности и времени появления всходов, скорости удлинения проростков, последний из которых считается наиболее чувствительным.

В природных экосистемах почвенные беспозвоночные широко используются для мониторинга на уровне комплекса видов (Трублаевич, Семенова, 1997).

Набор тест-объектов из семян растений, микроорганизмов, почвенных беспозвоночных и ферментов можно использовать как в полном объеме, так и частично, в зависимости от целевого назначения исследований и степени нефтяного загрязнения почвы. Если пробы с почвенными ногохвостками и активность ферментов дают хорошую количественную характеристику токсичности почвы при низкой и средней степени ее загрязнения, то микробиологические тесты удобны для описания состояния сильнозагрязненных высокотоксичных почв (Киреева, 1995).

3. Методы восстановления нефтезагрязненных почвенных экосистем

Естественное самоочищение природных объектов от нефтяного загрязнения - длительный процесс, особенно в условиях Сибири , где долгое время сохраняется пониженный температурный режим. В связи с этим, разработка способов очистки почвы от загрязнения углеводородами нефти – одна из важнейших задач при решении проблемы снижения антропогенного воздействия на окружающую среду.

Классификация методов рекультивации почв, загрязненных нефтью и нефтепродуктами

Рекультивация земель – это комплекс мероприятий, направленных на восстановление продуктивности и хозяйственной ценности нарушенных и загрязненных земель. Задача рекультивации – снизить содержание нефтепродуктов и находящихся с ними других токсичных веществ до безопасного уровня, восстановить продуктивность земель, утерянную в результате загрязнения (Реймерс, 1990). В настоящее время разработан ряд методов ликвидации нефтяных загрязнений почвы, включающие механические, физико-химические, биологические методы (таблица 3.1).

Таблица 3.1 - Методы ликвидации нефтяных загрязнений почвы (Колесниченко, 2004).

	Способы ликвидации	Особенности применения
Механи-ческие	Обвалка загрязнения, 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)
Механи-ческие	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
		Разливы на сравнительно твёрдой поверхности (асфальт, бетон, утрамбованный грунт) засыпают сорбентами для поглощения нефтепродукта и снижения пожароопасности при разливе легковоспламеняющихся продуктов
	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
Биологические	Фиторемедиация	Устранение остатков нефти путём высева нефтестойких трав (клевер ползучий, щавель, осока и др.), активизирующих почвенную микрофлору, является окончательной стадией рекультивации загрязнённых почв

До недавнего времени наиболее распространенным и дешевым методом ликвидации нефтяного загрязнения было простое сжигание. Этот способ неэффективен и вреден по двум причинам: 1) сжигание возможно, если нефть лежит на поверхности густым слоем или собрана в накопители, пропитанные ею почва или грунт гореть не будут; 2) на месте сожженных нефтепродуктов продуктивность почв, как правило, не восстанавливается, а среди продуктов сгорания, остающихся на месте или рассеянных в окружающей среде, появляется много токсичных, в частности канцерогенных веществ (Гриценко, Акопова, 1997).

Очистка почв и грунтов в специальных установках путем пиролиза или экстракции паром дорогостояща и малоэффективна для больших объемов грунта. Требуются большие земляные работы, в результате чего нарушается естественный ландшафт, а после термической обработки в очищенной почве могут остаться новообразованные полициклические ароматические углеводороды – источник канцерогенной опасности (Пиковский, 1993).

Землевание замедляет процессы разложения нефтяных углеводородов, приводит к образованию внутрипочвенных потоков нефти, пластовой жидкости и загрязнению грунтовых вод. Складирование загрязненной почвы создает очаги вторичного загрязнения.

Качественное удаление нефтяных загрязнителей при высоких уровнях загрязнения зачастую не обходится без применения различного рода сорбентов. Среди возможного сырья для производства сорбентов наиболее привлекательными являются естественное органическое сырье и отходы производства растительного происхождения. К такому сырью относятся торф, сапропели, отходы переработки сельскохозяйственных культур и др. На базе такого сырья разработаны, например, такие сорбенты, как «Сорбест», «РС», «Лессорб» и др. (Колесниченко, 2004).

Существует технология очистки почв и грунтовых вод путем промывания их поверхностно-активными веществами. Этим способом можно удалить до 86% нефти и нефтепродуктов. Применять его в широких масштабах вряд ли целесообразно, так как поверхностно-активные вещества сами загрязняют среду и появится проблема их сбора и утилизации (Пиковский, 1993).

ЗубайдуллинА.А.

Как известно, большая часть имеющихся в Нижневартовском районе нефтезагрязненных земель приходится на сфагновые верховые болота с мощным слоем торфяной залежи. И именно на этих землях применение традиционных технологий рекультивации и обычных технических средств, как показывает современная практика, не только не приносит положительных результатов, но в ряде случаев даже способствует замедлению начавшихся естественных процессов самовосстановления.

В первую очередь, это обусловлено недооценкой природных особенностей указанных биотопов: их высокой обводненностью, слабонесущей способностью поверхности и, главное, своеобразием почвенно-растительного комплекса, создающими вкупе существенные трудности для применения типовых схем рекультивации нефтезагрязненных земель.

Уточним, что под словом "рекультивация" здесь подразумевается весь комплекс работ, проводимый на нарушенной территории и включающий в себя: сбор и нейтрализацию нефтяной органики, восстановление плодородия почвы и создание стабильного растительного покрова. Следующей наиболее распространенной причиной отрицательных результатов при рекультивации всех без исключения нефтезагрязненных участков, включая и расположенные на верховых болотах, является игнорирование (по незнанию, по меркантильным и другим соображениям) этапности действия природных механизмов разложения нефти на земной поверхности. Для нашего региона выделяют три основных этапа естественного разрушения нефти на земной поверхности (рисунок 1):

I этап - длится в среднем 1,5 года. Здесь преобладают физико-химические процессы, включающие проникновение нефти вглубь почвы, испарение легких фракций, вымывание, окисление атмосферным кислородом и фотохимическое разложение нефтяных углеводородов. Концентрация нефти в почве за этот период снижается на 40-50%.

II этап - длится 3-4 года после окончания первого. Здесь разложение нефти происходит под воздействием почвенных углеводородокисляющих микроорганизмов, численность которых при этом увеличивается в 25 раз. Происходит разрушение метано-нафтеновых фракций, являющихся самыми токсичными компонентами нефти для растений и почвенных животных.

III этап - начинается через 4,5-5 лет после разлива нефти и длится до ее полного разрушения. Этап характеризуется микробиологическим разложением остальной менее токсичной части углеводородов и смолисто-асфальтеновых компонентов, которые образуют на загрязненной поверхности сплошные жесткие корочки - так называемые киры. Фактически, уже в самом начале этапа возможно возобновление некоторых видов растений, устойчивых к повышенному содержанию нефти в грунте. Но их появлению препятствуют киры, которые не позволяют воздуху проникать в корнеобитаемый слой торфа, вызывая своеобразное удушье растений и почвенных животных. С химической точки зрения, полностью процесс естественного разрушения нефти заканчивается не менее чем через 25 лет, однако токсические свойства нефти исчезают уже через 10-12 лет, продукты ее разложения частично включаются в почвенный гумус, частично растворяются и удаляются из почвенного профиля.

Собственные исследования, проведенные в летний сезон 1996г. на территории Ватинского месторождения нефти (ОАО "Славнефть-Мегионнефтегаз"), подтвердили наличие этапности естественной деградации нефти и на загрязненных участках верховых болот. Наблюдения проводились на трех однотипных участках, представляющих биоценоз грядово-мочажинного верхового болота, которые в разное время были подвергнуты нефтяному загрязнению: относительно свежий разлив 1994г., давний - 1989г. и старый - 1985г. Сроки аварий были подобраны с учетом уже указанных этапов физико-химической и микробиологической деструкции нефтяных углеводородов и связанных с ними стадий самовосстановления нарушенных фитоценозов. Однако длительность каждого из них, как показало полевое обследование, в условиях верховых торфяников превышает приведенные (применительно для дренированных участков) в 1,5 - 2 раза, что обусловлено спецификой торфяных болотных почв (низкие внутрипочвенные температуры, недостаток кислорода и минеральных веществ).

Только с учетом всего вышеперечисленного мы можем правильно выстроить ход рекультивационного процесса, оптимально задействуя и используя все существующие природные механизмы самоочищения, и получить значительный эколого-экономический эффект, если этот термин уместен в данном случае. Этот эффект достигается за счет двух показателей:

Существенного сокращения периода очищения и восстановления нарушенных участков до исходных состояний;

Снижения общих материальных затрат на рекультивацию.

Теперь непосредственно о наиболее типичных ошибках допускаемых при проведении рекультивационных работ на нефтезагрязненных участках болот. Сплошь и рядом можно наблюдать, как при ликвидации свежих разливов нефти в первые два года применяются следующие мероприятия:

1) засыпка загрязненных участков песком и торфом,

2) перепахивание или рыхление поверхности сельхозорудиями (бороны, плуги и т.д.) и гусеницами вездеходов,

3) внесение нефтеокисляющих микроорганизмов.

К сожалению, каждое из указанных мероприятий является фактически бесполезной тратой сил и средств с экологической точки зрения. Более того, в большинстве случаев природе оказывается своеобразная "медвежья услуга", в результате которой болотным экосистемам наносится гораздо больший ущерб, нежели непосредственно от самого разлива нефти.

Так, выполнение первых двух мероприятий приводит лишь к временному облагораживанию уродливого пейзажа и достижению приемлемых концентраций нефти в "верхнем" (привозном или вывернутом нижележащем) слое почво-грунтов согласно требований природоохранной инспекции. На самом же деле происходит захоронение и консервация нефти в нижележащих обводненных слоях торфа, где наблюдаются низкие температуры и нехватка свободного кислорода. Например, при движении по нефтезагрязненной поверхности болота тяжелых гусеничных болотоходов типа ГПЛ, "Витязь" и др., происходит продавливание и захоронение нефти в торфяной залежи на глубине до 50 см. А при естественном распределении нефти по поверхности загрязняется в среднем 5-10-ти сантиметровый слой торфяной залежи. Все это выводит остаточную нефть на несколько лет из-под действия естественных физико-химических механизмов разложения (атмосферного кислорода и солнечного света), а следовательно существенно замедляется общий ход восстановления устойчивого почвенно-растительного покрова. При этом также полностью разрушается (засыпается или сдирается гусеницами) существующий растительный покров, который мог бы сохраниться на отдельных повышениях и кочках и быть источником расселения растительности на загрязненных землях в последующие годы.

Нецелесообразным на данном этапе является и применение нефтеокисляющих микроорганизмов (бакпрепаратов), так как большая часть их погибает вследствие острой токсичности свежеразлитой нефти. Кроме этого, в процессы биоразложения в первую очередь вовлекаются более легкие фракции нефти (своеобразные "сливки"), которые и так бы быстро разрушились под воздействием атмосферного кислорода и солнечного света.

Таким образом, ускорять естественные процессы разрушения остаточной нефти и тем самым сокращать время, требуемое для восстановления исходного растительного покрова целесообразно лишь по прошествии полутора-двух лет с момента аварии (на II и III этапах).

Однако это не значит, что свежими разливами не надо заниматься. Просто здесь все усилия необходимо направить на надежную локализацию разлива нефти в пределах минимально возможной площади и сбор максимально возможного количества нефти. Современные технические средства позволяют собирать до 70 %, а при благоприятных природных условиях до 90 % разлитой нефти .

На болотах локализация разливов осуществляется, как правило, либо созданием по периметру разлива мощной торфяной обваловки (используются болотоходы типа "КАРТ"), либо отрыванием направляющих траншей и борозд к общей приемной яме, либо установкой мобильных боновых заграждений (последнее к сожалению не практикуется). Сбор нефти производится с использованием обычной откачивающей техники и специализированных нефтесборщиков. Эффективно на болотах и применение для сбора нефти из межкочковых углублений и других труднодоступных мест ранцевых вакуумных насосов, как отечественного, так и импортного производства. Основным условием должно быть минимальное перемещение техники и людей по рекультивируемой поверхности, особенно, по сохранившимся участкам живой растительности.

Наиболее приемлемым методом для тщательного сбора остаточной нефти, по собственному опыту проведения таких работ, является метод принудительной отмывки почв и растительного покрова от нефти водой. Это достигается либо полным заводнением загрязненного участка на непродолжительный период, либо его периодическим дождеванием поливальными установками (мотопомпы, лесопожарные машины). Эффективность работ по нефтеотмывке участка существенно увеличивает применение разрешенных поверхностно-активных веществ.

При небольших объемах разлитой нефти эффективным мероприятием является использование сорбентов, в частности торфяных матов (удерживающая способность 1 м2 в зависимости от технологии изготовления составляет от 10 до 40 кг нефти при 12-15-тикратном использовании). Такие маты удобны для быстрого развертывания на свежих разливах и, что самое главное, удобны при последующем их сборе для утилизации, в отличие от рассыпных видов сорбентов . Кстати, имеются несложные отечественные технологии массового производства таких матов на местах. Уникальные сорбционные свойства имеет и природный минерал - вермикулит, значительные запасы которого имеются в нашем горном Зауралье.