CC BY
86
ШЕСТОЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УКЛАД: МЕХАНИЗМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ
13-14 ноября 2015 г.
УДК 574.635
ЛАБОРАТОРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОБРАЗОВАНИЯ НЕФТЕЗАГРЯЗНЕННЫХ ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ В ВОДОЕМАХ С АВАРИЙНЫМИ РОЗЛИВАМИ НЕФТИ
Д. М. Тихонова, С. В. Нехорошев, А. В. Нехорошева
В настоящее время на территории Ханты-Мансийского автономного округа - Юг-ры(ХМАО-Югры) расположено большое количество водоемов естественного и искусственного происхождения, имеющих высокую степень загрязнения нефтью и нефтепродуктами. В основном загрязнения в этих водоемах образовывались в последние 50 лет по причине активного промышленного освоения территории округа. В связи с необходимостью улучшения экологической обстановки на территории ХМАО-Югры в последнее время появилась необходимость в масштабных мероприятия по очистке водоемов от нефтяных загрязнений.
На сегодняшний день разработано несколько технологий, которые позволяют произвести очистку донных отложений водоемов от нефтяных загрязнений. Эти технологии, в своем большинстве связаны с удалением на некоторую глубину верхнего слоя ила и применением биологических методов разложения углеводородов нефти [1]. Для активизации микробиологической деструкции нефтяных загрязнений и ускорения процесса восстановления водоема от нефтезагрязнений, внесение микробиологических препаратов может совмещаться с аэрацией воды [2].С целью повышения концентрации микроорганизмов на дне водоема так же предлагается применять полиакриламид, содержащий 5-80% гель-фракций со специальными микроорганизмамииз группы Alteromonas [3]. Так же предлагается технология очистки толщи и придонных слоев воды от нефтяных загрязненийпутем распыления на дне водоема мелких пузырьков воздуха в виде «воздушного заслона», за счет чего интенсифицируется процесс обогащения воды кислородом и осуществляется подъем нефти на поверхность воды при попадании донных нефтяных осадковв потоки поднимающихся воздушных пузырьков
[4].
Таким образом, можно утверждать, что сегодня имеется насущная потребность в разработке более эффективных технологий очистки водоемов от нефтезагрязнений, находящихся на дне в виде осадков. Для поиска путей решения данной проблемы специалисты ИПП и ЦКП НО ЮГУ на протяжении ряда лет занимались изучением нефтезагрязненных донных отложений озер на территории ХМАО-Югры. Так, в 2012-2013 годах было выполнено исследование трех нефтезагрязненных озер площадью по 1-1,5 га расположенных в районе Само-тлорского месторождения, в отношении которых ОАО «Самотлорнефтегаз» планировало выполнить рекультивационные работы. Точной информации о временных периодах появления нефтезагрязнений в данных озерах не имеется, но известно, что из «возраст» может составлять 20 и более лет. Донные отложения в этих озерах представлены заиленным верховым торфом низкой степени разложения. В некоторых местах донные отложения сформированы песком с кустовых площадок.
Для каждого из указанных озер донные отложения были исследованы в 70-80 равномерно распределенных точках на глубину 75-100 см ссоблюдением правил стратификации с шагом 25 см, а также в 3-х точках на глубину до 3 м. Для изучения химического состава проб донных отложений применялись методы ИК-спектрометрии, хроматомасс-спектрометрии и атомного элементного анализа.Распределение техногенного нефтяного загрязнения в обследованных озерах по площади дна показало, что в наибольшей степени донные отложения загрязнены в прибрежной части, по сравнению с центральной частью озер, а также в местах расположения производственных объектов (кустовые площадки, трубопроводы), являющихся наиболее вероятными источниками загрязнения озер. В этих местах дно озер покрыто осевшими нефтепродуктамии концентрация углеводородов в верхнем слое донных отложе-
ний составляет 50-60 г/кг и более. В остальных местах содержаниеуглеводородоввверхнем 25-сантиметровом слое донных отложений находится в пределах 3-10 г/кг.При этом в пробах воды этих объектов содержание нефтепродуктов не превышает1-2 ПДК. В вертикальной плоскости углеводороды в донных отложениях обследованных озер были распределены не равномерно и чаще всего имели локализацию в верхнем слое. Кроме этого на участках, прилегающих к производственным объектам, ввертикальном распределении углеводородов бы-лиобнаружены значительные аномалии.
Результаты исследования нефтезагрязненных озер свидетельствуют о том, что в этом случае региональный норматив в 20 мг/кг превышен по суммарному содержанию углеводородов не менее чем в 100 раз при фоновом содержании углеводородов растительного проис-хождения2-5г/кг.Также было установлено, что прибрежная территория этих озер загрязнена нефтепродуктами с концентрациями более 60 г/кг и изменение уровня воды в весеннее-осенний период является причиной вторичного загрязнения поверхностной воды в процессе смыва - выноса на прибрежную полосу нефтепродуктов.
В 2014 году специалистамиИПП и ЦКП НО ЮГУ в рамках договора с ОАО «РН-Нижневартовск» по инвентаризации и паспортизации загрязнённых и нарушенных земель было исследовано 25 нефтезагрязненных озер на территории Самотлорского месторождения. Эти озера занимали площадь от 0,15 до 16,7 га.В ходе исследования проводилось натурное обследование озер, составлены карты-схемы, получено по 10 проб донных отложений и пробы поверхностных вод, составлены паспорта загрязненных земельных участков.В лабораторных условиях был выполнен количественный химический анализ отдельных и объединенных проб донных отложений и поверхностных вод методами ИК-спектрометрии (НДП 20.1:2:3.40-08/Версия 2) и газо-жидкостной хроматографии(ПНД Ф 16.1.38-02), в результате чего определено содержание нефтепродуктов техногенного происхождения и их пространственное распределение в поверхностном слое донных отложений исследованных озер.В ходе исследования 25 озер в 2014 году было установлено, что содержание суммарных углеводородов в объединенных пробах донных отложений озер по результатам ИК-спектрометрии колеблется в пределах от 1г/кг до 65 г/кг, а по результатам хроматографического определе-ния-от 0,5 г/кг до более 50 г/кг. При этом 6 озер содержание углеводородов техногенного происхождения находится на уровне установленного заказчиком фонового содержания углеводородов (3,0 г/кг), а в донных отложениях остальных озер углеводороды техногенного (нефтяного) происхождения присутствуют в диапазоне концентраций от 0,6 до 60 г/кг, а углеводороды техногенного (нефтяного) происхождения в концентрациях более 10г/кг содержатся в донных отложениях 10 озер. Массовая доля нефтепродуктах в пробах поверхностной
3 3
воды по результатам ИК-спектроскопии колеблется в пределах от 0,06 мг/дм до 73 мг/дм . Наличие радужной пленкинефтепродуктов в местах пробоотбора на поверхности воды было установлено для 16 озер.
Сравнивая результаты количественного химического анализа нефтепродуктов в донных отложениях методами ИК-спектрометрии и хроматографии можно наблюдать некоторые незначительные различия, что объясняется естественными колебаниями уровня фонового содержания углеводородов в донных отложениях, а также степенью деградации нефтепродуктов, которыми загрязнены исследованные озера.
Результаты исследования28нефтезагрязненных водных объектов на Самотлорском месторождении, а также результаты изучения природного фона, позволили выделить комплекс аналитических параметров, позволяющих идентифицировать загрязнение донных отложений нефтью, оценивать его уровень и особенности состава. К таким параметрам относятся: особенности индивидуального состава углеводородов, групповой состав нефти, наличие углеводородов-индикаторов, доказывающих техногенное происхождение загрязнения, а также абсолютные значения концентраций металлов-индикаторов (примеси ванадия, никеля).
Проведенные расширенные исследования с применением хроматомасс-спектрометрии позволили выявить следующие группы углеводородов-»индикаторов» техногенного нефтяного загрязнения для озер Самотлорского месторождения:алкилбензолы состава С14-С25, ал-
Лабораторное моделирование процесса образования нефтезагрязненных донных отложений в водоемах с
аварийными розливами нефти
килфенантрены состава С15-С17;нормальные алканы до С35 (по индексу нечетности, а также соотношению высоко- и низкомолекулярных гомологов).Обнаружено, что для идентификации в пробах техногенных нефтяных загрязнений не достаточно применения метода хрома-томасс-спектрометрии для определения индикаторов нефтяных углеводородов и существует необходимость определения в донных отложениях никеля и ванадия(«металлических маркеров» нефти) для дифференциации нефтезагрязненных проб.Кроме этого для обоснования колебания концентраций углеводородов в диапазоне фоновых значений необходимо объективно классифицировать донные отложения по типу почвогрунтов, для чего наиболее информативным и надежным показателем оказалась зольность донных отложений.
В результате исследования нефтезагрязненных озер было установлено, чтоосновная часть нефтяных загрязнений находится в водоемах в виде сгустков нефтеподобного вещества под слоем воды и лежитнепосредственно на донных отложениях естественного происхождения, а также растениях и их остатках, покрывающих дно водоема. При самом незначительном механическом контакте пробоотборного инструмента с таким веществом от него отделяются более мелкие капли, которые естественным образом поднимаются к поверхности воды и растекаются на ней в виде радужной пленки нефтепродукта. В связи с этим можно утверждать, что нахождение на дне нефтезагрязненных водоемов сгустков нефтеподобного вещества будет в течении продолжительного времени являться одной из основных причин вторичного загрязнения поверхностной воды нефтепродуктами, а также будет вызывать кратковременные массовые вторичные загрязнения поверхностной воды при проведении мероприятий по механической очистке донных отложений озер.
Таким образом, перед разработчиками технологий очистки водоемов от нефтезагрязне-ний появляется необходимость в объяснении процесса осаждения нефти при нахождении в воде, т. к. известно, что плотность нефти чаще всего меньше плотности воды и обычно находится в диапазоне 0,8-0,9 г/см .Некоторые исследователи объясняют массовое погружение под воду нефтяных загрязнений несколькими процессами, происходящими с нефтью после ее растекания по поверхности вода:
- испарением легкой и осаждением тяжелойфракции,
- образованием эмульсии воды в нефти,
- диспергированием нефти в воде,
- растворением нефти в воде,
- сорбцией из воды твердыми частицами и их осаждением [5].
Однако вызывает сомнение, что этих процессов может быть достаточно для самопроизвольного погружения розлива нефти под слой воды. Хотя при удалении из нефти легкой фракции и повышается ее плотность, но для достижения нефтьюплотности 1 г/см3 и более действия процессов выветривания при температурах естественной среды будет не достаточно. Образование эмульсии, диспергирование и растворение нефти в воде так же нельзя рассматривать в качестве основных причин осаждения нефти, а сорбция нефти из водной фазы твердыми частицами с плотностью, превышающей плотность воды, является сомнительной.
Скорее всего, основной причиной значительного понижения плотности нефтяных разливов может являться налипание на их поверхность твердых аэрозолей, присутствующих в широких диапазонах концентраций в виде пыли в воздухе и перемещающихся ветром в воздушном пространстве над местностью. При попадании некоторого количества осадков твердых аэрозолей на нефтяную пленку она будет погружаться подводу и размещаться непосредственно на поверхности донных отложений естественного происхождения.Высказанные предположения нашли свое подтверждение при проведении модельных экспериментов с пленкой нефти помещенной в сосуд с водой,на поверхность которой напылялись частицы кварцевого песка со средним линейным размером частиц 120 мкм и истинной плотностью 2,6 г/см3.В
эксперименте использовали сборную нефть Западно-Салымского месторождения. Перед напылением песка на нефтяную пленку ее подвергали искусственному выветриванию, которое заключалось в продолжительном нагреве на открытом воздухе сосуда с водой по-
крытой нефтью до температуры 50 оС в течение 24 часов. При напылении песка на нефтяную пленкукаждая твердая частица обволакивается нефтяной пленкой и после накоплении определенного количества частиц в пленке часть нефтяной пленки с песком в виде округлой капли погружалась на дно сосуда. В ходе описанного эксперимента было установлено, что при выветривании масса нефти Западно-Салымского месторождения может уменьшиться на 3035 %, а для осаждения в воде оставшегося количества нефти достаточно многократного напыления на ее пленку песка общей массой 100 % от исходной массы нефти.
Таким образом, при разработке новых технологий очистки нефтезагрязненных водоемов от нефтезагрязнений следследует учитывать то обстоятельство, что значительная часть нефти, находящейся под слоем воды на поверхности донных отложений, образована выветренной нефтью в смеси с частицами пыли из атмосферного воздуха.
ЛИТЕРАТУРА
1. Бычек Н. Н. Проект очистки водоема от поверхностных и донных отложений нефти [Электронный ресурс] // Центр по сапропелю. Режим доступа: http://sapropex.ru/p54.htm/ (дата обращения 30.10.2015). - Загл. с экрана.
2. Маркова М. Ю. Способ очистки от нефти водоемов, заболоченных территорий, загрязненных вод амбаров и шламонакопителей [Текст] : Патент РФ № 2322400(2008).
3. Каушанский Д. А., Демьяновский В. Б., Ступакова Т. П. Способ очистки водоемов от нефтяных загрязнений [Текст] : Патент РФ № 2025466 (1994).
4. Воробьев Д. С. Устройство для очистки толщи придонных слоев воды от нефтяных загрязнений [Текст] : Патент РФ № 88688 (2009) на полезную модель.
5. Павлов А. А., Черняев А. В. Моделирование процессов трансформации нефтяных загрязнений при розливах нефтепродуктов на акваториях малых рек [Текст] // Известия ВолгГТУ. - 2009. - № 6. - С. 23-27.
