CC BY
1071
© Ю.В. Шувалов, Е.А. Синькова, Д.Н. Кузьмин, 2004
УДК 330.15:622.014.3:502.76
Ю.В. Шувалов, Е.А. Синькова, Д.Н. Кузьмин
ОЧИСТКА ГРУНТОВ ОТ ЗАГРЯЗНЕНИЯ НЕФТЬЮ И НЕФТЕПРОДУКТАМИ
Семинар № 7
~П настоящее время вся территория Рос-
-О сии охвачена паутиной нефтяной индустрии - одного из самых жестоких нарушителей экологического равновесия в природе. Среди многочисленных источников аварийных ситуаций с тяжелыми экологическими последствиями одно из первых мест занимают аварийные разливы нефти и нефтепродуктов (НП). Нефтяное загрязнение наблюдается на территориях эксплуатируемых месторождений нефти, трубопроводов, складов горюче-смазочных материалов, продуктопроводов, нефтеперерабатывающий предприятий, АЗС и др. Следует отметить, что максимальные дебиты нефти при ее фонтанировании могут составлять до 1 млн. м3/сут, а площадь поражения - до 600 тыс.м2.
Пятна нефти на воде - сигнал о том, что нарушены кислородный и углекислотный обмен водной толщи с атмосферой, уменьшено или прекращено испарение вод и др. Точно такой же трагедией является разлив или даже пятно нефти или нефтепродуктов на почве. В случае поверхностных разливов значительная часть НП обычно задерживается в верхней части зоны аэрации и не достигает уровня подземных вод. При подземных утечках происходит непосредственная контаминация поверхности грунтового водоносного горизонта. Скорость естественной деградации этого вида загрязнения существенно ниже скорости его поступления в подземную гидросферу на территории промышленно развитых районов. Это приводит к постоянному ухудшению экологической ситуации. Ликвидация источника загрязнения не решает проблемы, так как сформировавшаяся на поверхности грунтового водоносного горизонта линза НП может загрязнять подземные воды в течение десятков и сотен лет.
Значительное количество хранилищ углеводородного топлива расположено по берегам рек, и загрязнение может достигнуть поверхно-
стных водотоков не только в растворенном состоянии, но и в виде свободной фазы, что гораздо опаснее. Иногда концентрация загрязнения достигает таких масштабов, что они попадают в колодцы и скважины с питьевой водой. При близком к земной поверхности расположении скоплений углеводородов их пары могут поступать в жилые помещения или даже приводить к возгоранию и взрыву, так как основным продуктом анаэробной деградации НП является метан, который, смешиваясь с воздухом (5-16 %), образует взрывоопасную смесь. В связи с этим остро возникают различные экологические проблемы.
1. Проблема изучение изменения химического баланса в зоне аэрации, которая выполняет, с одной стороны, роль буфера, защищающего в определенных условиях подземные воды от нефтяного загрязнения, с другой стороны, аккумулируя углеводороды, она может играть роль постоянного загрязнителя подземных вод в результате инфильтрации подземных осадков;
2. Проблема формирования гидро-, лито-, био-, атмохимических ореолов нефтяного загрязнения, связанных с подвижностью НП;
3. Практические проблемы нефтяного загрязнения, которые связаны с загрязнением почв и грунтов различными углеводородами на территориях промышленных предприятий;
4. Методические проблемы, решение которых связано с особенностями ведения полевых и экспериментальных работ, моделирование геоэкологических процессов и решением прогнозных задач.
Основными компонентами, составляющими 90-95% нефти, являются углеводороды. Число углеродных атомов от СГС4 (газы) до С60. Углеводородные компоненты представлены главным образом соединениями трех клас-
сов: алканов (СпН2п+2), циклоалканов (СпН2п) и ароматических углеводородов (СпНп).
Значительное влияние на природные системы оказывают твердые углеводороды (парафины), содержание которых достигает 15-20 %. Парафины содержатся практически во всех нефтях и влияют на вязкость и устойчивость полютантов в природных системах. Твердый парафин плохо разрушается и с трудом окисляется. Он может интенсивно мешать свободному влагообмену и дыханию почв, что усиливает восстановительные процессы и интенсифицирует деградацию биогеоценозов. Следует отметить, что он ассимилируется многими микроорганизмами (дрожжи, грибы, бактерии). Биодеградацию циклоалканов их малая растворимость и отсутствие функциональных групп.
Очень токсичны компоненты нефти - ароматические углеводорода: (ПАУ), среди которых много активных канцерогенов. Все ПАУ поддаются разрушению. Экспериментально доказано, что главным фактором деградации ряда углеводородов, особенно, в воде или в воздухе, является фотолиз под действием ультрафиолетового излучения. В почве этот процесс может осуществляться только на ее поверхности. Происходит также и химическое разрушение ПАУ.
Вредное экологическое влияние на природную среду оказывают смолисто-асфаль-теновые компоненты. Это обусловливается: а) их вязкостью и плотностью, что приводит к изменению вводно-физических свойств почв и грунтов, а иногда и их цементации; б) связью этих соединений с микроэлементами: As, Со, Си, РЬ, №, V, Fe, Мп и др. Эти же элементы входят в состав нефтепродуктов. Асфальто-смолы чувствительны к кислороду воздуха, но мало доступны микроорганизмам. Процесс их метаболизма идет очень медленно, иногда десятки лет.
Неуглеводородные соединения составляют обычно 5-10 % от массы нефти, хотя в некоторых она может преобладать, а в смолах дости-
гать 100 %. Неуглеводородные соединения представлены производными серы (0,1-10 %), азота (1 %), кислорода (до 3 % - кислоты разных классов) и металлов. Металлы в нефти могут находиться в виде разных комплексов, мыл и др. соединений. Эти соединения поставляют в природные воды супер- и высокотехнофильные элементы.
Продукты переработки нефти получают либо путем фракционной перегонки, либо путем более сложных нефтехимических процессов (гидрирования, изомеризации, алкилирова-ния, гидрокрекинга, риформинга и т.п.). Продуктами фракционной перегонки являются моторные топлива - газолин, бензин, лигроин, керосин, дизельное топливо, газойль, мазут. Продукты нефтехимии весьма разнообразны -пластмассы, синтетические волокна, резина, лакокрасочные составы, азотные удобрения. Из потенциально опасных углеводородных производных выпускается этилен, пропилен, ацетилен, бензол, толуол, ксилолы, метиловый спирт, ацетон и т.п. Аналогичны продукты, получаемые при переработки горючих природных газов и газового конденсата. Все эти вещества в той или иной степени загрязняют окружающую среду, воду, землю и атмосферу, особенно, при аварийных выбросах или систематическом несоблюде-нии технологических условий.
Интенсивность переноса загрязнителей при прочих равных условиях зависит от растворимости отдельных компонентов нефти и их способности к биодеградации. Наиболее хорошо растворимы в воде легкие НП и ароматические вещества (до 1,78 г/л) при этом максимум возможных содержаний ПАУ в воде составляет 1,0 - 1,5 г/л при ПДК п*10-2 -п*10-1 (для разных соединений).
Интенсивность выноса углеводородов из почв в водных растворах меняется в зависимости от температуры растворов. С понижением температуры растворимость компонентов нефти падает, соответственно процесс их выноса
Таблица 1
Способность грунтов к сорбции нефтепродуктов
Грунт Порядок проницаемости (для воды), м/сут. Количество НП, л/м3
Крупный гравий, валуны 102 -
Гравий-грубозернистый песок 102-101 8
Песок крупный-средний 10'-100 15
средний-мелкий 10'-100 25
глинистый-глины 10-1-10-3 40
замедляется. Наличие в растворах ПАВ (в частности гуминовых кислот) активизирует растворимость углеводородов, следовательно, там, где в почвах поровые и почвенно-грунтовые воды обогащены органическими кислотами, миграционная активность отдельных компонентов нефти повышается. Растворимость в воде увеличивается в ряду: алка-
ны<нафтены<арены. Мицелярному растворению углеводородов могут способствовать смолы, аминокислоты и другие поверхностноактивные соединения. Т.о. одновременно с загрязнением поверхностных вод меняется состав почвенно-грунтовых и подземных вод, включая загрязнение питьевых вод. Минерализация подземных вод увеличивается иногда в 200-250 раз. Причем, чем меньше поверхностное натяжение нефти, тем большую площадь занимает нефтяное пятно. Поверхностное натяжение углеводородов увеличивается в ряду: алканы>нафтены>арены.
Испарение НВЖ играет важную роль, когда они приурочены к приповерхностной зоне и имеются условия для интенсивного движения воздуха и пара - породы характеризуются невысокой относительной влажностью и хорошей проницаемостью, отмечаются высокие давления пара и т.п. Мигрируя в газовой фазе, компонент, в конце концов, конденсируется, сорбируется, разлагается или уходит в атмосферу. Благодаря испарению идет в какой-то мере самоочищение грунтов, т.к. улетучиваются наиболее легкие углеводороды, ибо прохождение очередного инфильтрационного фронта этому не препятствует.
Сорбция нефтепродуктов может протекать в зоне аэрации, зоне капиллярной каймы и частично в зоне насыщения.
Считается, что сорбция жидких (растворенных) углеводородов на твердой фазе протекает сравнительно активно, если в ней присутствуют минеральный углерод или органический минерал. При этом, чем более гидрофобен тот или иной компонент, тем сильнее он сорбируется, таковым, например, является хлороформ. Наименее сорбируемыми оказываются относительно сильно растворимые углеводороды, например, бензол, имеющий растворимость 1800 мг/л. Способность связи нефтяных веществ с грунтами зависит также от свойств грунтов, а именно от капиллярных сил. Количество задержанных НП в единице объема грунта зависит от общего свободного гранулометрического состава грунта и его влажности.
Грунты могут сорбировать меньшее количество нефтяных веществ, чем воды. Поэтому, чем выше насыщенность грунтов, тем ниже их способность сорбировать нефтяные вещества. При содержании нефтепродуктов, превышающее остаточное, избыток его вытесняется водой в слои с более низкой влажностью. Указанный процесс сопровождается колебанием уровня подземной воды; результатом его является образование полосы грунта, насыщенной сорбированными нефтяными веществами. Сорбция нефтепродуктов на поверхности зерен грунта представляет важную составную часть механизма связывания нефтепродуктов в жидкой фазе и грунтах. Адсорбированные нефтяные вещества подвергаются изменениям, которые являются результатом различных процессов. Самый важный из них - десорбция водой.
Характеристика очагов нефтяного загрязнения
По характеру воздействия на окружающую среду очаги нефтяного загрязнения можно сгруппировать следующим образом:
1. районы эксплуатации нефтяных и газовых месторождений;
2. районы транспортировки углеводородов;
3. районы промышленных предприятий (районы переработки нефтепродуктов; районы хранения нефтепродуктов; районы эксплуатации нефтепродуктов).
1. Особенности нефтяного загрязнения в районах эксплуатации нефтяных и газовых месторождений. Последние несколько лет добыча нефти в России осуществляется на 1030 месторождениях, география которых охватывает самые различные регионы страны. Средняя плотность технических средств добычи составляет 10 - 20 объектов (скважины, компрессорные станции и др.) на 1 км2. Любые технические сооружения на промыслах являются потенциальными источниками техногенных потоков, различающихся по составу, концентрациям и объемам выбрасываемых в природу веществ. Нагрузки на природную среду можно разделить на следующие классы: а) физические воздействия; б) геохимические воздействия.
2. Особенности нефтяного загрязнения в районах транспортировки углеводородов. В районах транспортировки углеводородов, широко развита система трубопроводов. именно большой протяженностью нефтепроводов обусловлен наибольший риск аварийных разливов нефти. Только на территории РФ расположено
Таблица 2
Зависимость толщины нефтяной пленки от количества нефти
Характеристика нефтяных пленок на воде Толщина пленки нефти, мкм Количество нефти, л/км2
Следы окраски 0,15 170
Яркоокрашенные разводы 0,3 350
Тусклоокрашенные разводы 1,0 1200
Темноокрашенные разводы 2,0 2300
Очень темный цвет >2,2 >2500
более 49 тыс. км магистральных трубопроводов с 404 насосными станциями и резервуарами емкостью на 13,2 млн м3 нефти. При этом 17 % нефтепроводов служат более 30 лет и 28 % - от 20 до 30 лет. Частота прорывов нефтепроводов в1993 г. составила 0,24 на 1000 км. Основной причиной прорывов нефтепроводов является коррозия - 38 %. На брак сварки приходится 10-12 %, на случайные механические повреждения - до 40 %, 5-6 % - заводские дефекты и 1-2 % - на ошибки эксплуатации. Таким образом, можно отметить, что наибольший масштаб загрязнения земель сопутствует добыче нефти и газа, а следом идут загрязнения территорий вследствие частых прорывов различных трубопроводов при этом экологические последствия зависят еще и от состава нефти и ее качества, которые сильно отличаются на различных месторождениях.
3. Особенности нефтяного загрязнения в районах переработки и хранения нефтепродуктов. В районах переработки нефтепродуктов, нефтяное загрязнение наблюдается в результате разливов и утечек конденсата и смазочных масел, а также химреагентов (метанола, диэти-ленгликоля и др.). К районам хранения нефтепродуктов относятся нефтебазы, распределительные нефтебазы, резервуарные парки, перекачивающие станции магистральных нефте-продуктопроводов, наливные пункты нефтепродуктов, аэродромы, морские порты, ж/д станции и др.На этих объектах из-за систематических утечек из резервуаров для хранения нефтепродуктов или несоблюдения технологических процессов их перекачки или налива происходит загрязнение не только почв и грунтов, но и поверхностных, внутрипочвенных и подземных вод.
4. Особенности нефтяного загрязнения в районах эксплуатации нефтепродуктов. Нефтепродукты имеют довольно большой спектр применения, поэтому к районам эксплуатации нефтепродуктов отнесем различного рода промышленные предприятия, ТЭЦ, котельные,
транспортные парки, машиностроительные предприятия, автомагистрали и т.д. Следует отметить, что для таких районов характерны те же особенности нефтяного загрязнения, что и в выше перечисленных районах.
Влияние природных и техногенных процессов на состояние очагов загрязнения нефтепродуктами
К техногенным процессам, оказывающим влияние на состояние очагов нефтяного загрязнения, можно отнести следующие. В районах нефтепромыслов отбор огромных объемов флюидов сопровождается формированием значительных по площади депрессионных воронок. Падение внутрипластового давления приводит к осадке и уплотнению земной поверхности. Схожая ситуация наблюдается и на Ап-шеронском полуострове, что влечет за собой понижение уровня грунтовых вод, развитие карста, образование суффозионных воронок диаметром до 10-400 м.
Однако природные процессы могут тормозить ли способствовать развитию нефтяного загрязнения не только не нефтепромыслах, но и в других районах с тяжелой экологической обстановкой. Процессы эти зависят от многих факторах: природно-климатических, биохимических, геолого-ландшафтных и др.
Работы многих ученых показывают, что опасность загрязнения и возможность самоочищения почв от токсичных продуктов нефтедобычи в отдельных ландшафтных зонах и областях СНГ существенно различны. Исходя из анализа природных особенностей почв территории СНГ, можно сделать вывод, что опасность остаточного накопления нефтепродуктов в почвах возрастает с юга на север, а в пределах отдельных биоклиматических зон и провинций - от песчаных почв к суглинистым и глинистым, от мезоморфных почв к сцементированным.
В условиях однородного химического состава и одинаковой напряженности техногенного потока устойчивость почв к загрязнению
от нефтедобывающих производств определяется ландшафтно-геохими-ческой обстановкой и буферностью всей экосистемы.
Ориентировочное количество разлитой нефти и толщина нефтяной пленки определяются по табл. 2.
В районах транспортировки нефтепродуктов интенсивная коррозия трубопроводов приводит к их прорывам с аварийным разливам попутных рассолов, а часто - и нефти. Основная часть разрушений оборудования (50-80 %) вызвана микробиологической деятельностью, наиболее высокие скорости коррозионных процессов обусловлены жизнедеятельностью анаэробных бактерий. В среднем при одном прорыве нефтепровода выбрасывается 2 т нефти, площадь загрязнения при этом около 1000 м2.
В районах переработки НП многие предприятия находятся на берегах рек, поэтому необходимо прогнозировать возможность загрязнения водозаборов питьевых вод вследствие утечек и сбросов отходов производства в поверхностные водотоки. Кроме того, необходимо оценивать загрязнение почв и нижележащих горизонтов, а также атмосферы, т.к. предприятия выбрасывают в воздух различные токсичные вещества.
В районах хранения и использования НП из-за систематических утечек из резервуаров или несоблюдения технологических процессов их перекачки или налива происходит загрязнение не только почв и грунтов, но и поверхностных, внутрипочвенных и подземных вод, также атмосферы (при сжигании и испарении НП). При этом могут образовываться техногенные залежи и месторождения НП в виде линз на поверхности подземных вод. Поэтому следует давать прогноз вероятности загрязнения водозаборов питьевых вод (поверхностных и подземных).
Анализ способов рекультивации территории, загрязненных нефтепродуктами
Под рекультивацией понимают восстановление плодородия и естественного экологического равновесия ранее загрязненных территорий. Выбор методов и средств ликвидации углеводородных загрязнений определяется, прежде всего, конкретными условиями, при этом технологические приемы очистки земли, воды и воздуха во многом различаются, имея, однако, некоторые общие моменты. Технические возможности предотвращения опасностей, воз-
никших в результате заражения, представлены на рис. 8.
При ликвидации углеводородной контаминации почво-грунтов, прежде всего, осуществляют локализацию разлива УВ путем обваловки загрязненной площади. При значительных масштабах разлива из наиболее глубоких мест скопления УВ или из специально вырытых зумпфов производят откачку УВ шламовыми насосами или в вакуумиро-ванные цистерны. При опасности возгорания в населенных местах, на дорогах с интен-сивньм движением и т.п., если разлито легковоспламеняющееся топливо, принимают меры для уменьшения его испарения - покрывают противопожарными пенами или засыпают сорбентами. В малонаселенных местах при отсутствии в оперативном управлении техники для сбора разлитых УВ, их чаще всего просто сжигают. На плодородных землях грунт в месте разлива снимают и вывозят на свалку или промывают в барабанах с использованием ПАВ, отстаивая водонефтяную эмульсию в сборниках или гидроизолированных прудах-накопителях.
При температуре свыше +5-10 °С хорошие результаты дает применение нефтеразлагающих микроорганизмов. Глубоко залегающие «линзы» УВ, например, в районах их хранения делают попытки откачивать нефтепродукты через буровые скважины, вытесняя их методом законтурного заводнения, как это делают при разработке ряда нефтяных месторождений.
Таким образом, успешная очистка почвы от УВ может базироваться только на комплексе разных технологий. Комплексный подход к проблеме очистки почвы от УВ практикуют многие фирмы. Автор настоящей работы совместно с сотрудниками фирмы «Полиин-форм» летом 2000 года проводила очистку нефтезагрязненных грунтов на территории склада ГСМ г. Пскова, где основным поллю-тантом является авиационный керосин.
Для предотвращения фильтрации НП и других веществ через почву в поверхностные и подземные воды часто используются противо-фильтрационные экраны. При этом стоимость 1 м2 экрана от 1.5 до 2 долл.
Кроме того, анализ технологий очистки от углеводородных загрязнений приводит к выводу о том, что применение специальных сорбентов часто является обязательным или основным технологическим приемом. Следует отметить, что в настоящее время используется око-
ло 200 различных сорбентов, которые можно классифицировать по различным признакам: по исходному сырью; дисперсности; по характеру смачивания; по плавучести; пористой структуре. Так, например, в Ухте организовано производство нового реагента «Резол» для нейтрализации загрязненных промышленных отходов, ликвидации накоплений нефтешламов, грунтов, почвы путем химического капсулиро-вания диспергированного загрязненного материала. Сущность метода химического капсули-рования заключается в химико-механичес-ком преобразовании загрязненного грунта (шлама) в порошкообразный нейтральный для внешней среды материал, каждая частица которого покрыта карбонатной гидрофобной водонепроницаемой оболочкой. Содержащиеся в капсуле УВ, соли, в том числе и тяжелых металлов, не могут загрязнять окружающую среду благодаря высокой прочности и герметичности капсулы. Содержимое капсулы не переходит в водный раствор. Со временем вследствие продолжающейся карбонизации поверхности капсулы плотность оболочки возрастает. Полученный в результате обработки «Резолом» порошок экологически безвреден, пригоден для длительного хранения или использования в качестве инертной добавки в дорожном строительстве, а при добавлении гумуса может служить хорошим структурообразователем почвы.
Огромное значение при санировании очагов загрязнения имеют биологические методы.
Биологические методы.
В мировой практике широко применяется микробиологический способ очистки почвы от нефтепродуктов или, как его еще называют, биоремедиация. В данный момент технологии биоремедиации находятся в фазе бурного развития: применение методов генетической и белковой инженерии открывает новые возможности, а полевые испытания и применение новых биоремедиационных технологий в замкнутых и открытых экосистемах ставят новые задачи и открывают новые возможные пути решения проблем.
Биоремедиация - это применение технологий и устройств, предназначенных для биологической очистки почв, водоемов и др., т.е. для удаления уже находившихся в ней загрязнителей. Устройства и мероприятия, предназначенные для защиты окружающей среды от вредных стоков и выбросов (фильтры, очистные сооружения, отстойники, коллекторы и д.т.) не входят в комплекс мер и средств биоремедиа-
ции. Технологии биоремедиации разделяются на различные типы в зависимости от того, проводятся ли они непосредственно в месте загрязнения (МЗ) или вне его; вносятся или нет в МЗ чужеродные микроорганизмы.
Биоремедиация in situ - проводится непосредственно в МЗ, путем соответствую-щей обработки почвы, воды и др. То есть, проводится интенсификация природного микробного сообщества путем добавки в загрязненную среду биогенов, как правило, минеральных солей азота и фосфора.
Биоремедиация ex situ - проводится вне МЗ. Загрязненные почва, вода и др. извлекаются из МЗ, подвергаются биоремедиации в специальных устройствах и возвращаются в МЗ. Т. о. Биоремедиация может состоять из биостимуляции и бмоогментации.
Биостимуляция in situ (биостимуляции непосредственно в МЗ) основана на стимулировании роста природных (аборигенных) микроорганизмов, естественно содержащихся в МЗ и потенциально способных утилизировать загрязнитель, но не способных это делать эффективно из-за отсутствия необходимого набора ростовых факторов. Биостимуляция in situ достигается неоднократным внесением большого количества минеральной питательной среды, содержащей катионы Na+, Са2+, Mg2+, Fe2+, NH'4, PO3-4, SO42-.
Биостимуляция in vitru. В этом случае из МЗ извлекают образцы естественной микрофлоры почвы или воды, которые потом для повышения их ремедиационных характеристик «стимулируются» вне МЗ (культивируются в ферментерах) при добавлении необходимых ростовых факторов и соединений, индуцирующих биодеградацию целевого загрязнителя. Затем такая «стимулированная» микрофлора вносится в МЗ.
Биоогментация.. В МЗ вносятся специализированные микроорганизмы, чужеродные для данного МЗ, которые заранее были выделены из природных источников и/или специально генетически модифицированы.
Наряду с очевидными преимуществами применение биоремедиации характеризуется и появлением ряда проблем, обусловленных определенным биологическим риском.
Очевидно, что самую серьезную опасность представляет использование для биоремедиации микроорганизмов, которые могут оказаться патогенными для человека и окружающей его среды или которые смогут обусловливать
Таблица 3
Динамика снижения концентрации нефтезагрязнений в процессе очистки поверхостного слоя почвы на территории Котласского склада ГСМ
Нефтаза гряннвн не на террито рии участка №2 Количество нефтепродуктов (С) Эффект Очистки, % Уфи ли ЗирО вано нафтепра ДуктОа,
исходное промежуточное конечн ое В 19Э9 г. 06 щий за 199В-1999 г.г.
26.06 1998 05.07. 1999 перед 1-ай Сио-оОраО. 06.06. 1999 перед 11-пй вмо- □ОраС. 03.09 1999 30.09. 1999
КОНЦеНЕ радияг г/кг 19,5 9,0 6,2 4,3 2, а 69,0 35, 6 -
всего в почве, т 119,3 54,0 37,9 26, 3 17,1 - - 102, 2
образование токсических соединений, в результате, например, неполного окисления загрязнителей.
Большую опасность может представлять образование при биоремедиации мутагенов и генотоксичных соединений. Нельзя допускать, чтобы биоремедиация оказывала отрицательное влияние на биоразнообразие и/или приводила бы к распространению чужеродных генов. Одной из главных целей полевых испытаний технологии биоремедиации должна быть проверка их биобезопасности.
Так, например, на объекте «Кресты» (Псков), в основе применяемых биотехнологий лежала интродукция в очищаемый грунт углеводородокисляющих микроорганизмов (в виде биопрепарата «Сойлекс») и создание оптимальных условий для их жизнедеятельности посредством применения ряда агротехнических мероприятий: а) внесение необходимого количества удобрений, как источников основных элементов минерального питания - азота, фосфора и калия; б) создание оптимального водно-воздушного режима.
Кроме того, было выделено 12 штаммов бактерий, использующих углеводороды в качестве единственного источника углерода. Из них 9 наиболее активных штаммов отобрано для дальнейших исследований; при этом проверена их совместимость для создания устойчивых ассоциаций. Отобранные штаммы относятся к родам: Bacillus, Pseudomonas, Micrococcus, Micromonospora, Streptomyces.
В поверхностный слой биопрепарат «Сойлекс» вносился в сухом виде. Препарат рассы-
пался вручную, равномерным слоем, на предварительно вспаханную территорию. Затем территория еще раз перепахивалась для запашки препарата в почву. Вспашка осуществлялась трактором с навесными плугами. Такой обработке подлежит территория проявления нефте-загрязнений на поверхности земли. В грунты зоны аэрации биопрепарат «Сойлекс» вносился в виде рабочего раствора через шпуры, используемые ранее для вентилирования, при помощи электрических центробежных насосов.
Наиболее благоприятные результаты с использованием этого метода достигнуты на территории Котласского склада ГСМ, что показано в табл. 3, где эффект очистки почвы в 1999 г. - рассчитан исходя из Сисх. - 9,0 г/кг.
Общий эффект очистки почвы за 2 года -рассчитан исходя из Сисх. - 19,5 г/кг. При этом эффект очистки почвы в 1999 г. составил 69,0 %, а общий эффект очистки за 2 года - 85,6 %. За 2 года рекультивационных мероприятий утилизировано микроорганизмами более 100 т углеводородов.
Моделирование фильтрации воздуха в системах биологической очистки грунтов
При применении микробиологических способов для обезжиривания грунтов и грунтовых вод, загрязненных органическими вредными веществами, органические компоненты в присутствии кислорода минерализуются с образованием СО2, Н2О и неорганических солей. Биологическое санирование зараженных грунтов основано на поведении естественных микроорганизмов при разложении вредных веществ в грунте. К микроорганизмам относятся бакте-
рии и грибы, включая и дрожжи. Микроорганизмы характеризуются многообразием обмена веществ. В этом заключается их большое значение в круговороте веществ. Биохимическое многообразие выражается в разных типах получения энергии и ассимиляции углерода.
Способность отдельных микроорганизмов производить определенные вещества или ассимилировать их пользовались в начале развития са-национных мероприятий присадкой чистых культур. Однако возможность использования таких стартерных культур связала с определенными условиями среды, которые не существуют в каждом случае.
Практика показала, что существующие на участке санирования, т.е. автохтонные микроорганизмы являются приспособленными к условиям окружающей их среды, соответственно к данным вредным веществам, и, таким образом, обеспечивают их полное разложение.
Разложение углеводородов происходит лучше всего в аэробных условиях. Если имеющееся количество кислорода является недостаточным, то возникает анаэробная среда. Но при таких условиях микроорганизмы могут продолжать окислительное разложение, используя
при этом нитраты, сульфаты, фосфаты и окислы в качестве донаторов кислорода. Нитрат при этом находит преимущественный интерес для создания дополнительного потенциала для окисления углеводородов. Микроорганизмы разлагают органические вещества, получая при этом энергию в виде аносинтрифосфата (АТР) и образуя при этом материал для клеток.
Максимальную количественную долю в питании организмов поставляет углерод, получаемый из органических углеродных соединений. Таким образом, принципиально все возникшие естественным образом соединения уг-
лерода могут разлагаться биологическим путем.
Для разложения вредных органических веществ микроорганизмы нуждаются в таких питательных компонентах, как азот, фосфор, сера и железо, причем это самые важные микроэлементы.
О подземном способе очистке грунта (способе «in situ») говорят в том случае когда грунт обрабатывается на месте заражения (на месте естественного залегания), т.е. без его выемки. При применении методов вне естественного залегания (способы «ex situ») грунт подвергается выемке (экскавации). При способах с выемкой грунта различают способы «on situ» от способов «of situ». При способах «on situ» обработка зараженного грунта проводится после его выемки в непосредственной близости от места санирования, в то время как обработка «of situ» включает его транспортировку в грунтоочистительную установку. Таким образом, микробиологическое санирование может проводиться или подземными способами или с выемкой грунта способами «on situ» или «of situ».
Факторы, оказывающие влияние на успех санирования:
• Проницаемость грунта
Проницаемость определяет потери напора
и, таким образом, «радиус действия» пневматического мероприятия. На основе результатов детальной разведки можно дать первичную оценку значения коэффициента проницаемости КП по кривой гранулометрического состава. Была подтверждена возможность применения закона Дарси для оценки потока грунтового воздуха.
При проникновении воздуха через грунт перемещается также вода в форме пленочного течения. Вследствие интенсивного контакта воздуха с гидратной оболочкой происходит растворение кислорода в воде и удаление продукта обмена веществ СО2, а также летучих вредных компонентов.
• Вид и количество загрязнителей, объемное распространение заражения.
Загрязнители, как правило, распространяются в соответствии с геометрической структурой пачек пластов или штабелей осадочных пород. Седиментологические условия оказывают значительное влияние на механическую дисперсию вредных веществ в подстилающих породах. Таким образом, также антропогенные нарушения, такие как фундаменты или буро-
вые скважины могут быть причиной пневматических и гидравлических способов сокращения путей распространения.
Исследование очистки загрязненного грунта нефтепродуктами проводилось на модели, представленной на рис. 1.
Принцип ее работы следующий: с помощью воздуходувки по трубкам в грунт подается воздух. Дифференциальный манометр подсоединен к точкам входа и выхода воздуха. По шкале регистрируются значения разности 0
давления в мм рт. ст. Эта модель является упрощенной схемой «технологии с грунтовым реактором на месте залегания загрязненного грунта». Нижняя трубка является подобием горизонтально пробуренной скважины, подающая очищенный воздух, а верхнее отверстие есть ни что иное как скважина, отбирающая загрязненный воздух. Этот воздух очищается на поверхности и снова закачивается в грунт. Основная идея представляемого способа состоит в целенаправленном вскрытии зараженной зоны горизонтальными скважинами таким образом, чтобы она находилась между нижним и верхним фильтровальными уровнями (уровнями обработки).
Объем грунта, находящийся между обоими этими «уровнями фильтровальных труб», представляет собой собственный обрабатываемый объем (горизонтальный «грунтовый реактор»). Применение «технологии с грунтовым реактором на месте заражения» принципиально возможно как в насыщенной, так и в ненасыщенной почвенной зоне.
В «грунтовом реакторе» относительно потребности в кислороде и содержания воды устанавливаются такие условия, которые обеспечивают оптимальное микробиологическое разложение вредных веществ. Питательные вещества и в случае целесообразности также биологически разлагаемые поверхностно-активные вещества, а также специальные штаммы микробов ввести в циркуляционную систему.
Минерализация органических
Рис. 3. Зависимость депрессии от расхода воздуха
Гранулометрический состав грунта
0,5 1 2 3 5 7 10
Диаметры частиц
Рис. 2
вредных веществ происходит всегда через водную фазу, поэтому их разложение в ненасыщенной, зоне почвы можно достичь только поддержанием в первой фазе определенного содержания воды в грунтовом массиве. Необ-
ходимое для минерализации количество кислорода ограничивается его относительно низкой растворимостью в воде. Поэтому противоточ-ный подвод воздуха, осуществляемый во второй фазе, дает большое преимущество с технологической точки зрения. В третьей фазе имеет место оптимизация микробиологического процесса.
При исследовании движения воздуха через грунт в зависимости от его гранулометрического состава или пористости первоначально необходимо установить режим движения воздуха.
Режим движения воздуха через какой угодно канал зависит от скорости, кинематической вязкости и величины поперечного сечения канала.
Экспериментальные исследования прово-
Q, л/мин V, м/с Re f
5 6,63Е-02 0,08 2,63Е-10 1,11
10 1,33Е-01 0,17 3,11 Е-10 0,51
15 1,99Е-01 0,21 2,14Е-10 0,41
20 2,65Е-01 0,25 1,69Е-10 0,35
25 3,32Е-01 0,29 1,39Е-10 0,31
Рис. 4. Зависимость коэффициента сопротивления от числа Рейнольдса
Тангенс угла наклона аппроксимирующей прямой равен 1,59, что соответствует ламинарному режиму движения воздуха через грунт (рис. 3).
На основании опытных данных было подсчитано число Re и коэффициент сопротивления f и построен график зависимости коэффициента сопротивления от числа Рейнольдса (рис. 4).
Для подсчета был применен метод М.Е. Минского и следующие формулы:
Ие
Ц
Ар • -^КП L■ •р•V2 ’
Кп =
Q•L• ц
Ар • F•у'
дились следующими этапами.
Первый этап включал определение режима движения воздуха через грунт. Грунт имеет гранулометрический состав, представленный на графике в виде диаграммы (рис. 2).
Как видно из графика, основное содержание частиц приходится на 1 - 3 мм.
Эксперимент проводился следующим образом: через загруженный в установку грунт с помощью воздуходувки снизу вверх продувался воздух в разных количествах и при различном напоре. Замер количества воздуха, протекавшего через установку, производился в нижнем патрубке по измеренной скорости. Перепад давления замерялся с помощью дифференциального манометра. Количество воздуха и напор измерялись не менее 5 раз.
Здесь F - площадь фильтрации ^ = 0,0058 м2), ^ - вязкость воздуха, у - удельный вес воздуха, р - давление воздуха.
Результаты подсчета по приведенным формулам изложены в таблице:
Чтобы оценить режим движения фильт-рирующегося воздуха с помощью числа Re и коэффициента сопротивления f графическим путем, по оси ординат отложим значения ^ £ а по оси абсцисс соответствующие значения ^ Re. Как следует из гидроаэродинамики, режим движения в данном случае определит линия, построенная по точкам. Наклон этой линии к оси абсцисс под углом 1350 свидетельствует о линейной зависимости f от Re, т.е. о ламинарном режиме.
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
1. Фильтрационные утечки рудничного воздуха. Ю.А Шашмурин. - Ленинград: Наука. с. 53-56. 1970 г.
2. Современные методы очистки зараженных грунтов на месте их залегания. Х. Шрайбер, В.И. Комащенко, Й. Мотес. - М.: МГИУ. с. 99-100, 115, 117, 123, 133. 2001 г.
— Коротко об авторах ---------------------------------------------------------------------
Шувалов Ю.В. Синькова Е.А. Кузьмин Д.Н.— Санкт-Петербургский государственный горный институт им. Г.В.Плеханова (Технический университет).
