CC BY
261
В. Ф. Мадякин, Е. В. Лукашина ДЕТОКСИКАЦИЯ ОТРАБОТАННЫХ БУРОВЫХ РАСТВОРОВ И Б УРОВЫХ ШЛАМОВ С ЦЕЛЬЮ ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В КАЧЕСТВЕ МЕЛИОРАНТОВ ПРИ РЕКУЛЬТИВАЦИИ НАРУШЕННЫХ ЗЕМЕЛЬ
Ключевые слова: отработанные буровые растворы, детоксикация, гуминовые препараты.
На примере Астраханской и Оренбургской областей обсуждается технология технология детоксикации отработанных буровых растворов и буровых шламов с целью их использования в качестве мелиорантов при рекультивации нарушенных земель. Приводятся результаты опытнопроизводственных испытаний.
Keywords: fulfilled chisel solutions, detoxication, humic preparation.
On an example of the Astrakhan and Orenburg areas the technology technology of a detoxication of the fulfilled chisel solutions and chisel шламов for the purpose of their use as ameliorants is discussed at рекультивации the broken earths. Results of skilled-industrial tests are resulted
Развитие нефтегазовой промышленности сопровождается увеличением антропогенных нагрузок на окружающую среду. Основным техногенным фактором процесса нефте- и газодобычи является технологическое загрязнение объектов природной среды отходами бурения, образующимися в процессе строительства и эксплуатации скважин: буровыми сточными водами (БСВ), отработанными буровыми растворами (ОБР), выбуренной породой или буровыми шламами (БШ).
Количество отходов зависит от многих факторов: применяемой технологии бурения, глубины скважины, используемой системы водоснабжения и водоотведения, природно-климатических условий и т.д. В среднем при строительстве скважины на каждую 1000 м проходки образуется от 1000 до 1800 м3 отходов [1]. Применяемая в настоящее время система сбора и хранения отходов в шламовых амбарах не обеспечивает надежной защиты природных объектов от загрязнения.
Загрязняющие компоненты буровых отходов, попадая в природную среду, оказывают негативное влияние на биогеоценоз в целом, но особенно на состояние почвенного покрова: значительно снижается уровень почвенного плодородия, происходит обесструк-туривание почвы, ухудшаются ее биологические показатели и способность к самоочистке. Наибольшую опасность представляют щелочные минерализованные ОБР и БШ, содержащие нефть и нефтепродукты. Высокая минерализация и щелочность отходов бурения, а также наличие в их составе жидких углеводородов являются основными факторами отрицательного влияния на почвенный покров. Миграция токсичных солевых компонентов (ионов хлора, натрия, сульфат-ионов, гидрокарбонат-ионов) и нефтепродуктов как в вертикальном, так и в горизонтальном направлении приводит к ухудшению почвенных свойств: нарушается водно-воздушный режим почвы, увеличивается концентрация почвенного раствора, происходит внедрение ионов натрия в почвенный поглощающий ком-
плекс (ППК), угнетается микрофлора, что делает почву непригодной для роста растений. Все это ведет к разрушению сложившихся на данной территории экосистем с последующим загрязнением сопредельных сред [2, 3]. Все это ставит в качестве актуальной и важной задачи разработку новых технологий детоксикации и утилизации отходов бурения.
Для решения этой проблемы разработана и осваивается новая, эффективная технология детоксикации токсичных водных глинистых ОБР и БШ с помощью гуминовых препаратов с последующей их утилизацией в качестве мелиорирующих смесей при рекультивации нарушенных земель.
В ОБР и БШ содержатся глинистые компоненты (бентонит, палыгорскит, иллит и т. д.), тонкодисперсные и коллоидные частицы выбуренной породы, которые могут быть использованы для улучшения почвенных свойств: формирования агрономически ценной структуры почвы, увеличения ее влагоемкости и буферности. Кроме того, в ОБР и БШ содержатся биофильные элементы: кальций, калий, фосфор, а также микроэлементы, что делает одним из перспективных метод утилизации отработанных буровых растворов и буровых шламов в качестве основы удобряющих компостов и мелиорантов, предназначенных для внесения в почву при рекультивации шламовых амбаров и территорий буровых.
Однако, в отходах бурения содержится широкая гамма загрязнителей, представленных применяемыми в буровой практике химическими реагентами, и токсикантами, поступающими из разбуриваемых пород и пластовых вод (легкорастворимые соли, в т.ч. сода, ионы тяжелых металлов, жидкие углеводороды, СПАВ), в связи с чем буровые отходы являются источником загрязнения для окружающей среды [1]. При наличии такого комплекса загрязнителей различной природы, буровые отходы обычно имеют класс опасности не ниже третьего, что не позволяет использовать их без предварительной детоксикации в качестве мелиорирующих смесей.
Предлагаемая технология детоксикации и утилизации токсичных буровых отходов основана на использовании экологически чистых, природосовместимых гуминовых препаратов, имеющих в своем составе высокоактивные гуминовые вещества (гуминовые кислоты). Известно, что устойчивость биосферы к интенсивному техногенному (антропогенному) воздействию и ее способность к восстановлению в огромной степени обусловлены именно наличием в почве гуминовых веществ и, прежде всего, гуминовых кислот. Особая роль гуминовых кислот определяется термодинамической и химической устойчивостью и многообразием функций [4].
Спектр реакций, в которые могут вступать гуминовые кислоты, очень широк. В силу сложности строения и наличия карбоксильных, метоксильных, гидроксильных, карбонильных, фенольных групп и ароматических структур, гуминовые кислоты способны к ионным и донорно-акцепторным взаимодействиям, могут образовывать водородные связи, комплексы с металлами и аддукты с различными органическими соединениями, а также способны к ионному обмену и участию в сорбционных процессах [5]. Наличие гидрофобного каркаса в гуминовых веществах определяет их способность связывать нефтяные углеводороды и другие токсичные органические вещества [6].
Физико-химические основы взаимодействия гуминовых кислот с тяжелыми металлами и органическими соединениями включают одновременное протекание процессов ионного обмена, комплексообразования, адсорбции и абсорбции, сокоагуляции и окклюзии, обеспечивающих эффективную детоксикацию отработанных буровых растворов и буровых шламов, в результате чего изменяются формы существования экотоксикантов, снижается их миграционная способность и биодоступность.
Помимо этого гуминовые препараты при внесении в почву оказывают положительное влияние практически на все ее свойства и процессы. Гуминовые вещества в почве выполняют аккумулирующие функции, т.е. накапливают важнейшие элементы питания растений и почвенной биоты; регуляторные функции, т.е. формируют структуру, водный, водно-воздушный и тепловой режимы почв; протекторные функции, т.е. предохраняют растения и почвенную микрофлору от воздействия неблагоприятных климатических и экологических факторов; а также физиологические функции, т.е. обеспечивают рост и развитие растений и микроорганизмов. Гуминовые кислоты являются также мощными геохимическими агентами, способствующими трансформации горных пород, минералов и органических веществ, а также концентрации, рассеянию и переотложению химических элементов [4, 5].
Технология детоксикации отходов бурения, содержащих различные органические и неорганические экотоксиканты, основанная на применении гуминовых препаратов, является высокоэффективной, экономичной и достаточно простой в применении. В результате смешивания отработанного бурового раствора или бурового шлама с гуминовыми препаратами образуется гумино-минеральный мелиорант (ГММ). При этом происходит значительное снижение или устранение токсичных свойств ОБР и БШ. Получаемый мелиорант используется для рекультивации нарушенных почв и земель.
Используемые для детоксикации буровых отходов гуминовые препараты связывают тяжелые металлы, сорбируют углеводороды нефти и нефтепродуктов, позволяют снизить токсичность легкорастворимых солей, уменьшают щелочность отходов бурения, активируют деятельность нативной микрофлоры, стимулируют рост и развитие растений. Гуми-новые кислоты, входящие в состав гуминовых препаратов, ускоряют протекание биогео-химических процессов, в результате которых нейтрализуется и обезвреживается большое количество неорганических и органических экотоксикантов [6]. Высокая сорбционная способность и наличие различных функциональных групп в составе молекул гуминовых кислот, обеспечивающих возможность реакций с различными веществами, способствует эффективной детоксикации отходов бурения.
Гуминовые вещества, являясь естественным органическим компонентом почвы, мобилизуют внутренние резервы экосистемы, усиливают и ускоряют процессы самоочистки, повышают микробиологическую и ферментативную активность почвы, оказывают регулирующее влияние на рН почвы и состав почвенной микрофлоры [7].
Внесение ГММ в почвы обеспечивает доступность для растений питательных веществ, повышает коэффициент использования удобрений, снижает токсичность высоких концентраций солей, а также способствует улучшению гумусного состояния почвы и накоплению в ней органического вещества при возрастании доли ценных гуминовых кислот, в том числе за счет увеличения степени гумификации. Применение ГММ препятствует обесструктуриванию почвы, размываемости почвенных частиц, при этом происходит закрепление высокодисперсной фракции частиц грунта от ветровой эрозии в результате их агрегирования гуминовыми кислотами и глинистыми компонентами.
Отмечено положительное влияние вносимых гуминовых препаратов в составе ГММ на активность микрофлоры, стабильность почвенных ферментов, устойчивость растений к вредным влияниям среды, их жизнеспособность и урожайность, так как гуминовые кислоты в нормальных условиях стимулируют, а в экстремальных условиях нормализуют рост и развитие растений (физиологическая активность предопределяется присутствием в гуминовых кислотах хиноидных группировок, карбоксильных групп и фенольных гидроксилов) [6]. Наличие в составе отработанных буровых растворов, используемых для приготовления мелиоранта,
биофильных элементов (калия, кальция, микроэлементов и т.д.) является дополнительным источником питательных элементов для растений и повышает их продуктивность.
Органические и минеральные компоненты получаемого в процессе детоксикации отходов бурения ГММ значительно улучшает основные агрофизические и агрохимические свойства почвы. Бентонит, используемый для приготовления буровых растворов, обладает большой поглотительной способностью, повышает ионообменную емкость почв, увеличивает содержание в почве высокодисперсной илистой фракции. Гуминовые кислоты и тонкодисперсные глинистые компоненты отработанного бурового раствора способствуют образованию агрономически ценной структуры почвы, увеличивают ее буферность и емкость поглощения. Буферная способность, развитый поглощающий комплекс определяют устойчивость почвенных свойств в ухудшающихся экологических условиях. Также справедливо утверждение, что почвы, имеющие низкую буферность, содержащие мало гумуса и вторичных глинистых минералов, имеющие легкий гранулометрический состав, наиболее подвержены процессам деградации и потери плодородия. При загрязнении различными экотоксикантами такие почвы представляют наибольшую экологическую опасность. Использование ГММ помогает восстанавливать деградированные почвы и препятствует миграции экотоксикантов в сопредельные среды.
Наибольший положительный эффект от применения ГММ следует ожидать на почвах легкого гранулометрического состава. Песчаные грунты и почвы, формирующиеся на песках, имеют ряд отрицательных свойств в связи с отсутствием достаточного количества тонкодисперсных фракций, представленных минеральными, органическими и органоминеральными коллоидами. Легкие почвы, как правило, бедны органическим веществом, не отличаются высоким плодородием и нуждаются в улучшении. Песчаные и супесчаные почвы, обладающие низкой поглотительной способностью, незначительной буферностью, плохой оструктуренностью, имеющие слабую водоудерживающую способность, незначительный запас питательных веществ после внесения в них глинистых минералов в составе мелиоранта, приобретают новые положительные качества.
Наличие в составе гумино-минерального мелиоранта глинистых компонентов способствует структурообразованию и улучшению водно-воздушного и теплового режимов почвы. При внесении ГММ в слабооструктуренные или бесструктурные почвы за счет «клеящей» способности гуминовых и глинистых компонентов улучшаются их воднофизические свойства: повышается капиллярная и полевая влагоемкость, улучшается структура, увеличивается водопрочность агрегатов. Применение ГММ на исходно слабо-оструктуренных и бесструктурных почвах повышает их способность противостоять водной и ветровой эрозии.
Проведенные лабораторные и полевые опыты на объектах Оренбургской и Астраханской областей показали значительные положительные изменения свойств почв. В условиях проведенных полевых опытов оценивались изменения физических свойств (полная и наименьшая влагоемкость, структурный состав почвы), продуктивности растений и ферментативной (каталазной) активности.
Применительно к условиям Оренбургской области наиболее полная детоксикация ОБР и оптимальный состав гумино-минерального мелиоранта обеспечивались при смешивании гуминового препарата и ОБР, взятых в отношении 1 : 1,9 (по сухому веществу). Оптимальная доза внесения ГММ в почву легкого гранулометрического состава составила 50 т/га при влажности 80 % (или 10 т/га в пересчете на сухое вещество), мелиорант легко вносился в нарушенные земли методом полива с последующим рыхлением.
Всхожесть семян на варианте с применением мелиоранта по сравнению с контролем не снижалась. Прибавка надземной биомассы тестовых культур составила 18 - 20 %, что свидетельствует об отсутствии токсического действия ОБР в составе ГММ на растения.
Использование ГММ, на песчаных и супесчаных почвах Оренбургской области способствовало формированию агрономически ценных почвенных агрегатов: коэффициент структурности увеличивался с 1,86 до 5,25, повысилась также полная и наименьшая влагоемкость.
В качестве показателя ферментативной активности была выбрана активность ката-лазы. Было отмечено увеличение каталазной активности по сравнению с контролем на 20 %, что говорит об усилении при внесении ГММ биологических процессов в почве, изначально имеющей низкую биологическую активность [8].
Аналогичный положительный эффект получен от применения ГММ на основе БШ на песчаных почвах Астраханской области. Определение структурного состава почвы показало, что исходная почва обладает плохой структурой и представляет собой пылеватый песок. В условиях аридного климата и изреженного растительного покрова такая почва подвержена ветровой эрозии, следовательно, нуждается в мероприятиях по усилению агре-гированности и улучшению структуры.
Внесение в почву тонкодисперсных глинистых минералов, а также органического вещества, входящих в состав ГММ, привело к увеличению коэффициента структурности с 0,95 до 3,54 и значительному снижению содержания микроагрегатов, не представляющих агрономической ценности. Также было отмечено увеличение полной и наименьшей влагоемкости.
Активность каталазы возросла на 42 %, продуктивность растений по сравнению с контрольным вариантом не снизилась.
Таким образом, как показали проведенные эксперименты, применение ГММ оказывает положительное влияние не только на физические, но и на химические и биологические свойства почвы. В результате использования ГММ для рекультивации нарушенных земель отмечается увеличение содержания органического вещества в почве, возрастает ее буферность и емкость поглощения, повышается биологическая и ферментативная активность, увеличивается устойчивость почвы к антропогенным нагрузкам.
Литература
1. Булатов, А.И. Охрана окружающей среды в нефтегазовой промышленности / А.И. Булатов, П.П. Макаренко, В.Ю. Шеметов. - М.: Недра, 1997. - 483 с.
2. Солнцева, Н.П. Особенности загрязнения почв при нефтедобыче. Миграция загрязняющих веществ в почвах и сопредельных средах / Н.П. Солнцева, Ю.Н. Пиковский. - Л.: Гидрометеоиздат, 1980. - 252 с.
3. Лозановская, И.Н. Экология и охрана биосферы при химическом загрязнении / И. Н. Лозановская, Д. С. Орлов, Л. К. Садовникова. - М.: Высшая школа, 1998 - 287 с.
4. Перминова, И.В. Гуминовые вещества - вызов химикам XXI века / И. В. Перминова // Химия и жизнь - 2008 - № 1.
5. Перминова, И.В. Гуминовые вещества в контексте зеленой химии / И.В. Перминова, Д.М. Жилин // Зеленая химия в России: сб. ст. - М., 2004. - С. 146 - 162.
6. Шишмина, Л.В. Направления использования гуминовых кислот. Болота и биосфера / Л. В. Шишми-на, Н. В. Чухарева - Сиб. НИИ сел. хоз-ва и торфа- 2006 - С. 72 - 80.
7. Иванов, А . А . Исследование биостимулирующих и детоксицирующих свойств гуминовых кислот различного происхождения в условиях нефтезагрязненной почвы / А.А. Иванов, Н.В. Юдина, Е.В. Мальцева, Е. Я. Матис // Химия растительного сырья. - 2007. - №1. - С. 99-103.
8. Абрамян, С. А. Изменение ферментативной активности под влиянием естественных и антропогенных факторов / С. А. Абрамян // Почвоведение. - 1992. - № 7. - С. 70 - 82.
© В. Ф. Мадякин - канд. техн. наук, доц. каф. технологии твердых химических веществ КГТУ; Е. В. Лукашина - мл. науч. сотр. инновационно-технологической лаб. КГТУ, ilnur@cnit.ksu.ras.ru.
