Анализ транспортных источников загрязнения окружающей среды нефтесодержащими отходами Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

АНАЛИЗ ТРАНСПОРТНЫХ ИСТОЧНИКОВ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

НЕФТЕСОДЕРЖАЩИМИ ОТХОДАМИ

Т.И. Дубровина, А.Я. Исаков (КамчатГТУ)

Приведен количественный анализ основных транспортных источников загрязнения окружающей среды на примере г. Петропавловска-Камчатского. Показано, что, несмотря на некоторый экономический спад промышленного потенциала Камчатской области, экологическая обстановка в прилегающих к полуострову водных пространствах вполне может быть классифицирована как чрезвычайная.

Major transport sources of environmental pollution were analyzed on the basis of Petropavlovsk-Kamchatksy city. It is stated, that in spite of the economic downturn of industrial potential of the Kamchatka region, ecological conditions in water spaces adjoining to the peninsula can be classified as extreme.

Негативные трансформации экологического состояния окружающей среды в конечном счете приводят к дестабилизации условий существования практически всех видов организмов, включая человека. Основным источником дестабилизации является хозяйственная деятельность, которая несоизмерима с восстановительными возможностями окружающей среды, в частности биосферы.

Многие отечественные и зарубежные исследователи, занимающиеся задачами экологического состояния Земли, считают, что наша планета находится уже теперь в условиях жесткого экологического кризиса, переходящего в период катастрофы [1, 2]. Отмечается, в частности, что порог устойчивости человеческая цивилизация перешла в начале прошлого века, когда потребление первичной биологической продукции в мощностном эквиваленте превысило величину

^кг > 1012 Вт. Величина £, = 1012 Вт является предельно допустимым эквивалентом, который может использовать при своем развитии цивилизация, не нарушая и не деформируя окружающую среду. Именно такое значение ^, по мнению ученых, позволяет экологическому состоянию оставаться стабильным за счет способности к восстановлению и адаптации.

Сторонники дальнейшего развития современных политических, хозяйственных и экономических технологий выступают в роли оппонентов, используя в качестве одного из основных аргументов медленные в масштабах планеты экологические изменения. В этой связи уместно провести физическую аналогию. Земля при массе ш2 = 6 • 1024 кг совершает собственное вращение с угловой скоростью ю = 2п/Т = 7,3 • 10-5 рад/с, при этом момент инерции I = (2/5)шгЯ2 = 9,8

37 2 2 29

• 10 кг • м . Энергия собственного вращения Земли составит W = 0,5 1ю = 2,6 • 10 Дж. Предположим далее, что влияние на вращение Земли производится путем изменения свойств окружающей среды. Заменим атмосферу средой с параметрами воды, т. е. примем коэффициент динамической вязкости

П = 1 мПа • с, а толщину слоя, где происходит изменение скорости вследствие потерь на внутреннее трение, г = 10-3 • Я = 6,4 • 103 м.

Сила внутреннего трения в вязкой жидкости определяется известным уравнением [3]:

(1)

где 8 = 4пЯ2 - поверхность Земли, V = юЯ - линейная скорость поверхности. Градиент скорости в пограничном слое вычисляется по формуле:

|ёга^у| = ^ = —. (2)

аг г

Мощность силы внутреннего трения запишется как

юЯ . _ 2 10-3 • 2,6 -1020 • 12,56 н ...

Nп = п----4пЯ2 =---------------------------------------------------- -3- — = 5 • 10 Вт. (3)

п г 6,4-103

Чтобы Земля потеряла 1% своей энергии вращательного движения вокруг собственной оси,

должно пройти время:

т =----= 5,2 •1014с = 1,44-1011 ч = 16,5млн. лет. (4)

N

л

Казалось бы, столь незначительные изменения в абсолютных величинах не должны влиять на физические характеристики планеты, однако это совсем не так. Изменения угловой скорости вращения и соответствующие уменьшения периода, т. е. увеличение времени суток, приведет к радикальным изменениям климата. За счет уменьшения силы Кориолиса произойдут необратимые изменения конфигурации водных границ со всеми вытекающими последствиями для среды обитания живых организмов, включая человека.

На рис. 1 приведены качественные относительные данные о взаимосвязи биопродуктивности Мирового океана с его экологическим состоянием. Кривая 1 отображает состояние биологических ресурсов океана в зависимости от времени его «эксплуатации».

В качестве единицы выбран 1900 г., когда объемы промышленного использования гидробионтов слабо сказывались на состоянии воспроизводимых запасов. Кривая 2 иллюстрирует зависимость количества производимых продуктов питания, сырье для которых добывается в океане, в функции времени. Как видно из прогноза, период с 2000 по 2020 гг. характеризуется максимально возможным объемом производства и тенденцией достаточно высокой скорости сокращения его объемов начиная с 2020 г. Спад естественным образом объясняется поведением кривой 3, характеризующей уровень загрязнения Мирового океана. По прогнозам ученых, относительный уровень загрязнения начиная с 2030 г. начнет резко уменьшаться, потому что к этому времени биологические запасы станут такими, что их промышленная добыча будет представляться экономически нецелесообразной. Следует обратить внимание на то, что уменьшение уровня загрязнений не станет сопровождаться увеличением биопродуктивности, потому что процессы исчезновения видов станут необратимыми.

Применительно к Мировому океану чрезвычайность экологической ситуации обусловлена прежде всего загрязнением поверхностных и глубинных слоев нефтесодержащими отходами. По данным ведущих природоохранных организаций, в настоящее время при транспортировке в океан ежегодно поступает около 16 • 106 т нефти. Это составляет примерно 0,25% от общего объема мировой добычи углеводородов. Значительные массы отходов, содержащих нефть, поступают в океан по рекам с бытовыми и ливневыми стоками. Объем загрязнений из этого источника, по приблизительным минимальным оценкам, составляет 2 • 106 т/год. По современным прогнозам, в недрах нашей планеты находится примерно 4,5 • 1011 т нефти. Ежегодно человечество потребляет на свои нужды около 4% этого количества, что составляет 7,2 • 109 т. По оптимистическим оценкам специалистов, не менее 5%, т. е. 3,6 • 108 т добываемого жидкого углеводородного топлива снова попадает в окружающую среду с очевидными для нее экологическими последствиями [4].

Подтверждением столь пессимистического взгляда на экологическую ситуацию могут служить данные баланса нефтепродуктов в Авачинской губе, полученные В. А.

Березовской [5] в ходе многолетних постоянных

наблюдений. По ее данным, в течение года с судов в воды Авачинской губы поступает 2 560 т, что составляет около 17% от общего количества сбросов.

Остается только усомниться в достоверности официальных статистических данных, потому что количество судов и уж тем более площадь водного зеркала Авачинской губы не составляют

Рис.1. Взаимосвязь уровня загрязнения Мирового океана с биопродуктивностью

17% от общего количества судов, предназначенных для добычи, переработки и транспортировки гидробионтов, и общей площади водной поверхности, находящейся в границах Российской Федерации.

Существенно отметить, что в пределах Авачинской губы несанкционированные, официально зарегистрированные сбросы с судов вод, содержащих нефтепродукты, носят спонтанный характер, потому что в общем балансе они составляют только 3,8%, в то время как поступление углеводородов с водой прилива равно 62 490 т в год, что составляет около 93% от общего количества нефти, поступающей в течение года в воды губы. Естественно предположить в этой связи, что за пределами Авачинской губы, в шельфовой зоне, где ведется промысел и переработка сырья одновременно несколькими сотнями крупнотоннажных судов, экологическая обстановка не представляется благополучной.

Причины образования неочищенных от нефтепродуктов льяльных вод на судах ФРП достаточно разнообразны даже для однотипных судов, потому что определяются не только конструктивными и эксплуатационными характеристиками судна, но и целым рядом субъективных и вероятностных обстоятельств. На рис. 2 показаны некоторые типичные источники загрязнения нефтепродуктами льяльных вод [6]. Отстой дизельного топлива и мазута представляется как постоянный и достаточно интенсивный источник, потому что изначальное обводнение поступающего на борт топлива составляет минимум 3-5%. Это обусловлено технологическими особенностями хранения и транспортировки нефтепродуктов. Особо следует отметить обводнение тяжелых сортов топлива, которое для перекачивания по трубопроводам предварительно разогревают острым паром, так как при его конденсации обводняется топливо. В зависимости от температуры забортной воды, вязкости и сорта топлива обводнение может достигать ф > 0,15.

Протечки через уплотнения вращающихся и движущихся поступательно элементов судовых механизмов являются неполностью устранимыми постоянными источниками поступления нефтепродуктов. Попадание в льяльные воды топлива, масел и смазок при работе судовых механизмов происходит особенно интенсивно при наличии статических и динамических давлений. Многочисленные запорные и регулирующие устройства, имеющиеся на судах в большом количестве в виде вентилей, клапанов, заслонок, фланцевых соединений и т. п., тоже имеют уплотнения, которые необходимо периодически обслуживать с целью сохранения ими герметичности.

В последнее время ввиду экономических и структурно-административных особенностей организации промысла суда берут на борт минимально необходимое количество топлива, а свободные танки для сохранения остойчивости заполняются забортной водой, которая, перемещаясь на ходу судна внутри танка, смывает со стенок остатки топлива. Перед заходом в порт балласт откатывается за борт без всякого контроля содержания в нем нефтепродуктов.

Технологическое и обслуживающее процессы оборудование тоже является источником протечек нефтепродуктов.

Работа на рыбопромысловых и рыбообрабатывающих судах заводов, рыбомучных и холодильных установок вносит дополнительный вклад в повышение концентрации

нефтепродуктов в льяльных водах.

Рассмотрим далее некоторые особенности экологической обстановки, складывающейся в районе Авачинской губы в связи с эксплуатацией морских транспортных средств по добыче гидробионтов, их переработке, транспортировке, а также судов, участвующих в обслуживании флота рыбной промышленности.

Неисправности

запорной

арматуры

Внутрисудовая транспортировка нефтепродуктов Г ~ Л Г Л Несовершенство системы охлаждения 1 СЭУ J

обслуживание

оборудования

Рис. 2. Основные источники поступления горюче-смазочных материалов в льяльные воды

Количество судов в %

В настоящее время в портах Камчатки находится в эксплуатации 671 судно. На рис. 3 приведена гистограмма, показывающая распределение количества судов в зависимости от времени их эксплуатации. Как видно из приведенных данных, среднее время эксплуатации составляет 22 года, что дает основание сделать вывод о физическом старении флота рыбной промышленности полуострова в целом. Естественно предположить, что основное силовое и вспомогательное оборудование, определяющее экологическую безопасность судна, на большинстве единиц флота, находящихся в эксплуатации, не соответствует нормативным требованиям, предусмотренным конвенциями по предотвращению загрязнения моря, в частности Международной конвенции по предотвращению загрязнения с судов МАРПОЛ 73/78.

Вероятность надежной работы судового оборудования в функции времени р(1;), обеспечивающего его экологическую безопасность, может быть определена уравнением:

Р()=1-

п( )

N0 ’

(5)

где п(1) - число элементов, экологические параметры которых не удовлетворяют установленным нормам; N - общее число элементов технологической схемы судна, обеспечивающей транспортировку, хранение и использование горюче-смазочных материалов [6]. Для определения скорости изменения надежности во времени эксплуатации уравнение (5) продифференцируем по времени:

) =

&

а

1 -

пО)

N0

&

(6)

Ввиду постоянства для данного типа судна величины N0 в уравнении (6) можно разделить переменные:

1

<!п(1;)

Правая часть уравнения интенсивность отказов А,(1;):

________________________1 Ф(^

N0 - п(1;) & р(1;) &

(7)

(7) представляет собой

1 Ф(^ р() а ’

(8)

Рис. 3. Распределение судов флота рыбной промышленности по срокам их эксплуатации

которая для данного типа судна имеет качественный вид, показанный на рис. 4. Участок 1 кривой относится к новым судам, отказ их оборудования обусловлен заводским браком и процессом приработки; участок 2 характеризуется относительной интенсивностью отказов, обусловленной случайными факторами; участок 3 определяется процессами морального и физического старения механизмов и устройств.

Интегрируя уравнение (8), получим:

(9)

Вероятность надежной работы, таким образом, зависит от интенсивности отказов и определяется в первую очередь пределами интегрирования, т. е. сроком эксплуатации судна Т.

Сопоставляя данные, приведенные на рис. 3 и 4, можно видеть, что большинство единиц анализируемого флота, приписанного к камчатским портам

(Т > 14 лет), находится в области 3, где

относительная интенсивность отказов практически по экспоненте стремится к единице. Другими словами, все механизмы и устройства, контактирующие с горюче-смазочными продуктами, с высокой степенью вероятности не предотвращают их попадания в льяльные воды.

В настоящее время в эксплуатации находится около 458 судов, которые по количеству суточного потребления топлива можно условно разбить на три категории. С большой степенью

оптимизма можно полагать, что 1% загружаемого на борт этих плавательных средств топлива и

смазочных материалов оказывается по причинам, изложенным выше, в льяльных водах.

В таблице приведены количественные данные по накоплению нефтесодержащих льяльных вод при содержании в форме эмульсии не менее ф = 20% нефтепродуктов и смазочных материалов. Месячное суммарное накопление составляет = 290 м3 (= 261 т). Отсутствие должного контроля над процессами сдачи и переработки нефтесодержащих льяльных вод в г. Петропавловске-Камчатском дает возможность судовладельцам сбрасывать их за борт. По приближенным оценкам, с камчатских судов в шельфовую зону Тихого океана попадает ежемесячно 150-200 т нефтепродуктов.

2 4 6 8 10 12 14 16 18 Т

Рис. 4. Зависимость относительной интенсивности отказов от срока эксплуатации

Количество Суточное Суточное Суточное Среднее

единиц, потребление потребление потребление накопление

Тип судна находящихся в топлива топлива топлива нефте-

эксплуатации, в режиме стоянки, м3 в ходовом режиме, м3 в промысловом содержащих

шт. режиме, м3 вод, м3

МРС - 150 170

МРС - 225 24 300 1 000 2 000 0,8

МРС - 80 24

МРТК 4

РС - 300 41 400 3 000 4 500 2,6

РТМКС 1

РТМС 2

СДС 3

БМРТ 36

БАТМ 7

Краболовы 4

СРТМ 43 1 000 9 000 9 000 6,3

СТР 64

ЯМС 12

Транспортные суда 20

ТСМ 3

Итого 458 1 700 13 000 1 500 9,7

Кроме водного транспорта источником повышенной экологической опасности является автомобильный транспорт. По данным ГИБДД, в г. Петропавловске-Камчатском находится в постоянной эксплуатации примерно 90 000 автомобилей, каждый из которых как минимум один раз в год проходит техническое обслуживание, сопровождающееся сменой масла. Если предположить, что в среднем в картер заливается 5 литров масла, то годовое количество отходов от всего городского транспорта составит примерно 450 м3.

Проведенный анализ двух самых интенсивных источников поступления нефтепродуктов в окружающую среду показал, что в течение года на морском и автомобильном транспорте накапливается около 87 000 т отходов, содержащих горюче-смазочные вещества. Отсутствие в городе достаточного количества пунктов по утилизации нефтесодержащих жидких отходов дает все основания считать, что в конечном счете все они оказываются в воде или земле.