CC BY
549
1. Контактные помехи при работе импульсного передатчика на подвижных объектах / Д. В. Лазарев // Тр. 7-го Международного симпозиума по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии. - СПб. : ВИТУ, 2007. - С. 276-279.
2. Справочник по вероятностным расчетам / Г. Г. Абезгауз, А. П. Тронь, Ю. Н. Коненкин, И. А. Коровина. - М. : Воениздат, 1970. - 536 с.
Статья поступила в редакцию 01.07.2009;
представлена к публикации членом редколлегии А. Е. Красковским.
УДК 574
Е. И. Макарова
НОВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ЛИКВИДАЦИИ АВАРИЙНЫХ РАЗЛИВОВ МАЗУТА С ПЕСЧАНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТРАНСПОРТНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ
В числе неблагоприятных последствий производственной деятельности человека следует назвать аварийные разливы нефти и нефтепродуктов. По данным Межведомственной комиссии по экономической безопасности России, около 30 % аварийных ситуаций на ж.-д. транспорте связано именно с разливами нефтепродуктов. В статье приводится анализ современных способов ликвидации нефтеразливов, а также описывается способ, разработанный в Петербургском государственном университете путей сообщения.
технология, ликвидация аварийных разливов, способы ликвидации, сорбенты, нефтеразливы, нефтепродукты.
Введение
Согласно постановлениям Правительства РФ № 613 от 21 августа 2000 г. «О неотложных мерах по предупреждению и ликвидации аварийных разливов нефти и нефтепродуктов» и № 240 от 15 апреля 2002 г. «О порядке организации мероприятий по предупреждению и ликвидации разливов нефти и нефтепродуктов на территории РФ», нефтеразливы классифицируются как чрезвычайные ситуации и, в зависимости от объема и площади разлива нефти и нефтепродуктов (НП) на местности, выделяют следующие их категории:
1) локального значения - разлив от 100 до 500 т нефти и НП на территории объекта;
2) муниципального значения - разлив от 100 до 500 т нефти и НП в пределах административной границы муниципального образования; или разлив до 100 т, но выходящий за пределы территории объекта;
3) территориального значения - разлив от 500 до 1000 т нефти в пределах административной границы субъекта РФ либо от 100 до 500 т
нефти, выходящий за пределы административной границы
муниципального образования;
4) регионального значения - от 1000 до 5000 т;
5) федерального значения - разлив свыше 5000 т нефти и НП либо, разлив вне зависимости от объема, выходящий за пределы государственной границы РФ, а также разлив, поступающий с территорий других государств.
Время локализации разлива нефти и НП не должно превышать 4 часов при разливе в акватории и 6 часов - при разливе на почве.
1 Трансформации нефти в почвах
Нефть имеет сложный комплексный состав, включающий в себя порядка 3000 компонентов, большинство из которых мелкоокисляемы. При разливе на поверхности земли нефть и НП распространяются и загрязняют почву и подземные воды.
Различают три этапа трансформации нефти в почвах:
1) физико-химическое распределение углеводородов по профилю, испарение (от 20 до 40 %), вымывание, ультрафиолетовое облучение и частично микробиологическое разложение алифатических углеводородов;
2) микробиологическое разрушение
низкомолекулярных структур разных классов, новообразование смолистых веществ;
3) трансформация высокомолекулярных соединений -слоя, асфальтенов, полициклических углеводородов.
2 Методы ликвидации аварийных разливов нефти и нефтепродуктов
В настоящее время в России используют две категории методов ликвидации аварийных разливов нефти и НП: on site и off site. Технологии off site используют для обработки загрязненной почвы, предварительно удаленной с поверхности выделенного участка земли. Технологи on site применяют непосредственно на месте загрязнения. Технологии on site и off site в соответствии с применяемыми методами очистки почв можно разделить на механические, физико-химические, физические,
биологические, агротехнические и комбинированные [1, 2].
Механические методы
К механическим методам относятся первичные мероприятия, такие
как:
■ удаление разлитой нефти и НП, откачка нефти в емкости (любыми механическими приспособлениями);
■ механическое удаление загрязненного слоя (вывоз и складирование на специальный площадках или полигонах захоронения);
■ засыпка (экранизация) загрязненной поверхности слоем чистого грунта или почвы (таким образом загрязнитель фиксируется на месте загрязнения);
■ изоляция пятен загрязнения различными методами: полимерные покрытия, гидроизоляция грунтовых вод (таким образом загрязнитель фиксируется на месте загрязнения, но изолируется от сопредельных сред);
■ запашка (захоронение) верхнего загрязненного слоя почвы в более глубокие слои (т. е. идет искусственное перераспределение загрязнителя в почве).
Главным недостатком этих методов является трудоемкость. Кроме того, возникает проблема просачивания нефтепродуктов в грунт.
Физико-химические методы
При угрозе прорыва нефти и НП в водные источники как экстренная мера применяется сжигание. Таким образом (в зависимости от типа нефти и НП) уничтожается до 2/3 разлива, остальная часть просачивается в почву. Существенным недостатком данного (термического) способа является то, что утилизация идет только в поверхностном слое почвы, при этом в местах прокаливания уничтожаются природные биоценозы. Следует отметить и вред, наносимый атмосферному воздуху, так как при сжигании в атмосферу попадают продукты возгонки и неполного окисления нефти. После термической обработки возникает необходимость вывозить землю на полигоны, образуется так называемая «горелая земля».
Если разлив нефти или НП происходит в цехах, жилых кварталах или на автомагистралях, то опасность возгорания превышает опасность загрязнения почвы. В этом случае необходимо изолировать разлив. Для этого используют противопожарные пены или сорбенты.
К физико-химическим относятся и методы промывки почвы. Загрязненная почва промывается в специальных барабанах с применением растворителей или ПАВ. Разновидностью промывки почвы является ее дренирование, т. е. промывка на месте при помощи дренажных систем.
Физические методы
К физическим методам можно отнести вакуумную экстракцию или вентиляцию почвы (физическое удаление летучих соединений).
Иногда для ликвидации нефтеразлива применяют химические осадители, комплексообразователи, сорбенты (цеолиты, глины, гидроксиды железа, торф, активированный уголь и др.) - эти мероприятия получили название «сорбционные методы удаления».
Сорбенты могут быть в виде гранул, порошков, фильтрационных матов (нетканое полотно). Многие синтетические сорбенты подвергаются отжиму с последующей регенерацией и восстановлением части
нефтепродуктов. Отработанные синтетические сорбенты утилизируются путем сжигания или захоронения на полигонах. Природные сорбенты (вермикулит, уголь) могут быть использованы при строительстве дорог или сжигаются, захораниваются.
Сорбентами засыпают нефтеразливы на твердой поверхности (асфальт, утрамбованный грунт) для поглощения нефтепродуктов, далее сорбент с поглощенными нефтепродуктами собирают. В настоящее время известно более 200 сорбентов.
Биологические методы
Эти методы заключаются в использовании микроорганизмов, разлагающих органические соединения. Существуют ограничения по глубине обработки, температуре почвы (до +15 °С). Недостаток данных методов - их длительность, так как они занимают 2-3 сезона. Кроме того, при наличии тяжелых фракций НП деятельность микроорганизмов снижается.
Агротехнические методы
Существует метод фитомелиорации: почва засеивается
нефтестойкими травами, активизирующими микрофлору земель (клевер ползучий, щавель, осока и т. д.). Растения, произрастающие на нефтезагрязненных землях, содержат сильнодействующие канцерогены (бензапирена) в больших количествах.
К агротехническим методам следует также отнести внесение удобрений (что способствует ускорению разложения нефтезагрязнителей). Известкование, совместное внесение удобрений ускоряют разложение НП.
Комбинированные методы
Часто на практике необходимо применение комплексных действий, направленных на ликвидацию нефтеразлива, в этом случае используют совместно физико-химические и биологические методы или биологические и агротехнические, или физико-химические, биологические и агротехнические. 3
3 Новый способ ликвидации аварийных разливов нефти и нефтепродуктов
К комбинированным можно отнести метод, разработанный в Петербургском государственном университете путей сообщения на кафедре «Инженерная химия и естествознание» под руководством профессора, доктора технических наук Л. Б. Сватовской [3-5]. Суть метода заключается в использовании для ликвидации нефтеразливов смесей из порошка твердого вещества и жидкости, способных в результате самопроизвольных химических реакций образовать гелеобразные продукты, что обеспечивает одновременно три важных в данном случае геозащитных свойства - поглощение нефтезагрязнений, клеящее и упрочнение всей системы в камневидное тело.
Для проверки положения о способности поглощать нефтеразливы были выбраны три типа вяжущих самотвердеющих смесей разной природы, которые удовлетворяют условию гелеобразования (см. табл.).
Таблица, составленная на основе анализа литературных данных, показывает, что в системах I—III образуются при самопроизвольных реакциях гидрогели: в фосфатной - кремнегель, в цементной и в щлакощелочной - гидросиликатный и гидроалюмосиликатный гели.
Проведенные нами дериватографические анализы рассматриваемых систем подтвердили присутствие в продуктах реакций гелевых фаз.
4 Модельный эксперимент
Модельный эксперимент проводился по схеме, показанной на рис. 1. На песчаный грунт, помещенный в лотки, заливались одинаковые порции мазута как одного из наиболее вязких нефтепродуктов. На нефтяной разлив заливались вяжущие смеси (см. табл.). Оказалось, что, во-первых, выбранные смеси поглощают мазут, во-вторых, это поглощение идет с разными скоростями и зависит от природы смеси и ряда факторов, таких как подвижность смеси, что регулируется соотношением жидкое/твердое и зависит от компонентов наполнителя в смеси в виде песка. Подбор оптимального жидко-твердого отношения (Ж/Т) самопоглощающих вяжущих смесей показал, что максимальная эффективность удаления нефтепродуктов с почвы (до 100 %) достигается при использовании Ж/Т от 0,3 до 0,8 % (см. рис. 2).
ТАБЛИЦА. Прогнозирование поглощения разлива мазута минеральными вяжущими смесями
№ Минеральные смеси: название и состав порошка твердого (Т) и жидкости затворен ия (Ж) Изменение фазового состава в процессе самопроизвольной реакции, в соответствии с литературными данными Характеристика кислотности жидкости затво-рения
Основные формулы исходных фаз Фазы, образующиеся при реакции, ag;8<o
твердых жидких
гелеобразные сопутствующие
I ФОСФАТНАЯ СМЕСЬ: смесь порошка из глины или отходов ячеистого бетона, оксида железа (II) и раствора фосфорной кислоты FeO (оксид железа II), Al2034Si02-2H20 (монтмориллонит), Al203-2Si02*2H20 (каолинит), 2Ca0-Si02-nH2O (отход ячеистого бетона) Раствор Н3Р04 Si02nH2O (кремнегель) FeP04-2H20 (гидрофосфат железа), А1(0Н)2Н2Р04 (однозамещенный фосфат гидроксида алюминия), Са3(Р04)2 (фосфат кальция) pH <7
II ЦЕМЕНТНАЯ СМЕСЬ: смесь портландцемента или шлакопортландцемента и воды 3Ca0Si02 (трехкальциевый силикат), 2Ca0Si02 (двукальциевый силикат), ЗСаО АЬОз (трехкальциевый алюминат), CaOAl20yFe203 (четырехкальциевый алюмоферрит) н2о Г идросиликатный гель (примерный состав) 5Ca0-6Si02-5H20 ЗСаОА120у6Н20 (гидроалюминат кальция) pH = 7
III ШЛАКОЩЕЛОЧНАЯ СМЕСЬ: смесь порошка из доменного шлака или глиносодержащих веществ и раствора жидкого стекла Мелилитовый цяд: 2CaO-Al2OrSi02 (геленит), 2CaOMgO2Si02 (окерманит), 2Ca0 Si02 (двухкальциевый силикат) Раствор Na2Si03 Г идросиликатный гель (примерный состав) 5Ca0-6Si02-5H20 Na20Al2034Si02-2H20 (анальцим) pH >7
чистая поверхность загрязненная мазутом поверхность
на загрязненную поверхность нанесены через 4 минуты
нефтепоглотители
через 1 час
через 1 сутки
Рис. 1. Алгоритм проведения модельного эксперимента
Экспериментально определено, что должно соблюдаться равенство: Ух.п ~ Кпогл, где Ух.п - скорость химического процесса, Кпогл - скорость поглощения, т. е. скорость химического процесса должна примерно соответствовать скорости поглощения. Если Ух.п > Кпогл, то мазут не успевает поглотиться, система отвердевает.
Наблюдения показали, что наиболее быстро (в течение нескольких минут) мазут поглощает шлакощелочная смесь, на ее поверхности появляется мазутное пятно, что и свидетельствует о начале подъема нефтепродуктов от песчаного основания к поверхности.
Рис. 2. Зависимость качества очистки поверхности от Ж/Т
Установлено, что геозащитный слой при рациональных параметрах приготовления формируется:
■ для шлакощелочной и цементной смеси за 1 сутки;
■ для фосфатной смеси в течение 3 часов.
Возможно вторичное покрытие поглощающей смесью в случае, если этого требуют размеры появившегося пятна мазута на поверхности.
Полученное покрытие в виде геозащитного слоя, представляющего собой затвердевшую смесь с поглощенным мазутом, проявляет клеящие свойства, поэтому оно легко удаляемо с частичками загрязненного песка, и, таким образом, осуществляется полная ликвидация нефтеразлива (100 %), что подтвердили весовой анализ песка после ликвидации и результаты анализа водных вытяжек, выполненного на анализаторе нефтепродуктов АН-25.
Исследования соотношений мазута и вяжущей смеси показали, что максимальная чистота поверхности достигается, если соотношение нефтепоглотителя и нефтепродуктов составляет 3:1. Дальнейшее увеличение количества нефтепоглотителя нецелесообразно (см. рис. 3).
Принципиальная технологическая схема ликвидации нефтеразливов представлена на рис. 4. К месту аварийного разлива нефтепродуктов из ближайшего растворного узла в автомиксере необходимого объема подается вяжущая смесь, далее при помощи растворнасоса смесь заливается на нефтеразлив. Г еозащитный слой с поглощенными нефтепродуктами после отвердевания снимается и после измельчения используется в качестве заполнителя при получении соответствующих материалов для промышленного и гражданского строительства -шлакощелочных и фосфатных бетонов (при этом прочность изделий соответствует ГОСТ и составляет для шлакощелочных 12 МПа, морозостойкость до 25 циклов; для фосфатных 11,3 МПа, морозостойкость до 20 циклов); или используется по месту разлива как укрепление поверхности; или подлежит термической обработке с образованием дегидратированных продуктов, пригодных для дальнейшего полезного использования.
§ 100
X
& 80 м
е 60
S
ё 40
о S
S 20
п 0
8 1+1 1+2 1+3 1+5 1+10 1+15 1+20 1+25
3-
сЗ
^ Мазут - нефтепоглотитель
II Шлакощелочной нефтепоглотитель Цементный нефтепоглотитель
Фосфатный нефтепоглотитель
Рис. 3. Зависимость качества очистки от количества вяжущей смеси
Рис. 4. Технологическая схема ликвидации нефтеразливов
Заключение
Таким образом, предложена технология ликвидации аварийных разливов мазута на песчаной поверхности с использованием вяжущих минеральных смесей, способных поглощать разлив и формировать геозащитный слой, обладающий клеящей способностью и прочностью.
Обнаружение эффекта поглощения вяжущими смесями разливов мазута делает технологию ликвидации аварийных разливов доступной в экономическом отношении, например, затраты на цементный нефтепоглотитель при ликвидации тонны мазута составляют всего 16 500 рублей.
Библиографический список
1. Эффективные сорбенты для ликвидации нефтяных разливов /
B. Ж. Аренс, О. М. Гридин // Экология и промышленность России. - 1997. -№ 3. - С. 10-17.
2. О решении проблемы нефтяных загрязнений / В. Ж. Аренс,
О. М. Гридин, А. Л. Яншин // Сб. трудов 5-й Международной конференции «Экология и развитие стран Балтийского региона» (МАНЭБ). - СПб. : [б. и.], 2000. - С. 6-15. - ISBN 5-93048-021-4.
3. Пат. № 2305152 Российская Федерация. Способ ликвидации последствий разлива нефти / Сватовская Л. Б., Макарова Е. И., Бенза Е. В. ; опубл. 27.08.07, Бюл. № 24.
4. Параметры применимости процессов искусственного камнеобразования для защиты окружающей среды / Л. Б. Сватовская, Е. И. Макарова, М. С. Старинец // Наука и техника транспорта. - 2007. - № 4. -
C. 30-36.
5. Новые идеи в геоэкозащитных технологиях на транспорте: учеб. пособие / Л. Б. Сватовская, М. Н. Латутова, Е. И. Макарова и др. - СПб. : ПГУПС, 2007. - 35 с. - ISBN 5-7641-0159-Х.
Статья поступила в редакцию 20.05.2009;
представлена к публикации членом редколлегии П. Г. Комоховым.
