CC BY
40
© Е.А. Ильина, Ю.В. Шувалов, 2004
УДК 622.793.5:002.637
Е.А. Ильина, Ю.В. Шувалов
О ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ БИОЛОГИЧЕСКОГО СПОСОБА ОЧИСТКИ ГРУНТОВ ОТ НЕФТЯНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ В РАЙОНАХ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ
Семинар № 7
П настоящее время 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, нефтеперерабатывающих предприятий, АЗС и др. Очень часто утечки происходят из подземных емкостей и трубопроводов, что затрудняет их своевременное обнаружение и приводит к значительным потерям НП и загрязнению подземного пространства. В ряде случаев количество попавшего в подземную гидросферу НП измеряется сотнями и тысячами кубических метров.
Нефтепродукты имеют довольно большой спектр применения, поэтому к районам эксплуатации НП относят различного рода пром. предприятия, ТЭЦ, котельные, транспортные парки, машиностроительные предприятия, автомагистрали, хоз. бытовое использование и Т.Д.
Помимо загрязнения растительности, почв, грунтов, поверхностных и подземных водотоков в крупных городах наблюдается загрязнение воздуха, которое связано, в основном, с интенсивным движением транспорта. Т. о. в атмосферу попадает С02, СО, сернистый газ, метилмеркаптан, бенз(а)пи-рен и др. вещества. Особенности нефтяного загрязнения геологической среды в районах различных промышленных предприятий приведены в табл. 1.
На состояние очагов загрязнения нефтепродуктами влияют природные и техногенные процессы.
В результате нарушения почвенного покрова и растительности усиливаются нежелательные природные процессы - эрозия почвы, деградация, криогенез [Гриценко]. В районах пром. предприятий и крупных городов на автомагистралях при интенсивном движении 25 тыс. автомашин в сутки в воздухе остается 500-700 г свинца на 1 км пути. Соединениями свинца (хлоридами, бромидами и др.) заражается полоса вдоль дороги шириной до 200 м. Они смываются атмосферными водами, сорбируются почвеннопокровными отложениями и в том или ином количестве достигают зеркала грунтовых вод [Кирюхин, Коротков].
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.
Загрязняя окружающую среду, УВ не только губят флору и фауну, но и наносят прямой вред здоровью человека. Поступившая в почву нефть увеличивает содержание органического вещества, емкости поглощенных оснований, изменяет кислотность, тормозит интенсивность протекания биологических, биохимических процессов. В значительной степени уменьшается количество азотфиксирующих, аммонифицирующих и нитрифицирующих бактерий. Следствием этого является ухудшение обеспеченности почвы подвижным азотом. Реакция микрофлоры почвы, загрязненной нефтью, сводится к резкому снижению численности и подавлению биологической активности. В процессе адаптации численность микроорганизмов постепенно увеличивается, максимального значения достигают углеводородокисляющие
Таблица 1
Масштабы нефтяного загрязнения на территориях промышленных предприятий
объект Масштабы загрязнения Геоморфологические особенности
Склад ГСМ в районе г. Котлас, Архангельская обл. 8заг.~ 3.6 га; Концентрация НП в грунте Снп(грун) ОТ 3-7 г/кг до 10-20 г/кг В течение нескольких десятков лет происходило загрязнение почв и песчано-глинистых пород авиационным керосином (основной поллютант). Т.О. образовалась техногенная залеж (линза) НП на поверхности грунтовых вод, запасы нефтешламов в которой, - Q~1080 м3. Возникает угроза загрязнения углеводородами питьевого водозабора.
Склад ГСМ в районе г. Пскова, Ленинградская обл. 8заг.~2 га; Содержание НП в зоне аэрации Qнп(3.aэP.) -600 м3 Особенности образования ТГ линзы НП и основной поллютант схожи с загрязнением в районе г. Котлас. Возникает угроза загрязнения углеводородами питьевого водозабора.
Тольяттинская нефтебаза, Самарская обл. 8заг~20 га; Концентрация НП в грунте Снп(груы) 8.6-16 г/кг Содержание НП в линзе Онпсл.)^4*104 м3 Основной поллютант - бензин. Особенности геологического строения обусловливают образование ТГ месторождения УВ двухэтажного строения (линза УВ на поверхности грунтовых вод в четвертичных аллювиальных отложениях). Наблюдается высачивание НП по борту близлежащего водохранилища при подъеме уровня грунтовых вод.
Московский нефтеперерабатывающий завод (МНПЗ) Концентрация НП в почвенном воздухе Снп(п.в.) 27.6-1806.5 мг/м3 Многолетние регулярные утечки УВ из нефтеналивной эстакады привели к образованию ТГ месторождения НП двухэтажного строения. Основные поллютанты: сырая и товарная нефть, бензин, керосин, диз. Топливо и др. НП.
Орская пром. зона, Оренбургская обл. 8заг. - несколько га Регулярное многолетнее площадное и линейное загрязнения толщи горных пород на территориях НПЗ, ТЭЦ, комбинатов и др. предприятий. Основной поллютант -различные НП.
бактерии, источником питания которых становятся метанонафтеновые и ароматические УВ [Фахрутдинов, Алехин]. Опасность УВ как загрязнителей окружающей среды обусловлена не только их биохимической активностью, но и чрезвычайной подвижностью их жидких и газообразных форм, способствующих распространению УВ далеко от источника загрязнения. В связи с этим остро возникают различные экологические проблемы.
Природные процессы могут тормозить или способствовать развитию нефтяного загрязнения в различных районах с тяжелой экологической обстановкой. Процессы эти зависят от многих факторов: природно-
климатических, биохимических, геологоландшафтных 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. Физические и физикохимические процессы (испарение, растворение, эмульгирование, адсорбция) определяют форму и направление рассеивания НП во
внешней среде. Разрушение НП происходит путем химического окисления и биогенного разложения. Многими учеными (Оборин, Глазовская, Пиковский и др.) выделяется несколько основных этапов преобразования нефти и НП в природных средах, не зависящих ни от состава поллютанта, ни от почвенно-климатических условий (принципиально одинаковых в разных регионах) [Солнцева].
Первый этап - физико-химическое разрушение, дегазация, вынос нефти, ультрафиолетовая деструкция. На втором этапе деградации нефти в процессе биодеструкции включаются уже десятки микроорганизмов. Ведущую роль играют псевдомонады (Pseudomonas), микобактерии (Bacillus), а также роды Candida, Aspergillus и др. Третий этап соответствует стадии деградации полиаренов с участием разных групп микроорганизмов. Конечные продукты, возникающие при разрушении нефти, -оксикериты и гуминокериты (Успенская и др., 1961).
При биодеградации НП в подземном пространстве, поступление УВ в подземное про-
странство стимулирует жизнедеятельность бактерий, использующих УВ в качестве питательной органики, если таковая отсутствует в естественных условиях. Для биодеградации необходимо наличие в среде электронных акцепторов для протекания следующих окислительно-восстановительных реакций, идущих при разрушении органического вещества (на примере соединения СН20) в различных окислительновосстановительных средах с участием микробов, при pH = 7 с соответствующими значениями свободной энергии Гиббса [Christensen и др.].
Метанообразование, ферментация:
2СН20^СН3С00Н^СН4+С02 G0(W) =
= -22 ккал/моль
Примечание: Для органических веществ, отклоняющихся от указанной модели воссоединения, ферментация будет основной реакцией накопления водорода, который может окислиться в реакции восстановления с С02 согласно выражению:
С02+4Н2^-СН4+2Н20
Сульфат-редукция:
2CH20+S042'+H+ ^2C02+HS'+2H202 G0(W)= -25 ккал/моль
Восстановление железа:
CH20+4Fe(0H)3+8H+^C02+4Fe2++11H20
G0(W)= -28 ккал/моль
Восстановление марганца:
CH20+2Mn02+4H+^C02+2Mn2++3H20
G0(W)= -81 ккал/моль
Денитрификация:
5CH20+4N03'+4H+^5C02+2N2+7H20 G0(W)= -114 ккал/моль
Аэробное дыхание, восстановление кислородом:
CH20+02^C02+H20 G0(W)= -120 ккал/моль
Согласно выше изложенному, небольшие количества кислорода могут окислить полностью малые количества НП или частично -большие. Эффект биологического разрушения УВ в аэробных условиях в последнее время используют для ликвидации последствий нефтяного загрязнения путем обогаще-
ния среды культурами микроорганизмов, адаптированных к загрязняющим веществам.
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 [Аренс]. 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 вакуу-мированные цистерны. 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 «Полиинформ» летом 2000 г. 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 $. 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.
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. Методы с использованием биоочистки являются наиболее щадящими для природы и наиболее выгодны с экологической и экономической точки зрения.
Исходя из анализа особенностей образования и длительности разрушения нефтяного загрязнения в различных природноклиматических зонах, следует, что особого внимания заслуживают территории промышленных предприятий Северного региона (например, «Воркутауголь» и «Ленинградсла-нец»). Они требуют внедрения наиболее рациональных способов санации грунтов в связи со сложными природно-климатическими условиями. В данной работе рассматриваются территории складов ГСМ в районе городов Сланцы и Воркута. На этих объектах в течение многих лет происходило регулярное площадное и линейное загрязнение почвог-рунтов в результате несоблюдения технологических процессов перекачки НП и утечек их из резервуаров для хранения. Техногенно преобразованный геологический разрез исследуемой территории г. Сланцы, представленный песками с прослоями глин и ила, а также торфяными отложениями на флангах территории, говорит о возможности протекания почти всех процессов оглеения. Естественной биодеградации УВ способствуют автохтонные психро- и мезофилы в соответствие с табл. 2.
Так как класс водной миграции на рассматриваемой территории не только водозастойный мерзлотный, но и промывной, то остальная часть НП следует через зону аэрации к капиллярной кайме и далее к поверхности грунтовых вод, сталкиваясь на своем пути лишь с некоторыми сорбционными (механическими) барьерами в виде глинистых и илистых прослоев.
На данном объекте в результате ошибки при заполнении подземного резервуара заправочной станции в песчано-гравелистую зону ненасыщенного водой грунта попало около 14 т дизельного топлива. Максимальная концентрация вредных веществ 28 г/кг сухой массы. На объекте в силу особенности строения геологического разреза наблюдается неравномерное загрязнение нефтяными УВ по всему участку до глубины 11 м с по-
вышенной концентрацией в диапазоне глубин от 4 до 8 мина глубине 10 м.
Очистка почвы и песчаного грунта на участке крайне необходима, так как ореол загрязнения распространяется вниз по разрезу в трещинноватые и кавернозные известняки и доломиты.
Биологический способ очистки данной территории от НП основывается на построении, так называемого, «внутригрунтового биореактора» под существующими производственными установками, АЗС или путями сообщения. Он представляет собой некий объем грунта, очищаемый от нефтяного загрязнения, находящийся между двумя уровнями расположения фильтровальных труб, пройденных путем горизонтальнонаправленного бурения скважин и затягивания в них фильтровальных труб. Через них осуществляется аэрирование (кислородом или воздухом) почвенно-грунтового горизонта и, тем самым, стимуляция жизнедеятельности микроорганизмов, способных разлагать УВ до простых соединений, таких как CO2, H2O, N2 и др. Однако внесение в грунт биогенов все же необходимо.
Физическая модель очага нефтяного загрязнения, реализованная в лаборатории СПГГИ (ТУ) и данные количественного анализа содержания НП в почвах и грунтах исследуемых территорий позволяет выявить закономерности изменения физико-химических свойств грунтов при бактериальном способе санации и установить критериальные зависимости эффективности процессов от способа воздействия на породы. Однако решение данной проблемы затрудняют геотемпературные показатели промороженных грунтов, требующие предварительного их растепления (подача горячей воды в горизонтальные скважины) и создания оптимальных условий для нормальной жизнедеятельности бактерий. Для этого особое внимание следует уделять особенностям растворения, сорбции и миграции воздуха, воды и НП в прискважинной зоне и подбирать наиболее приемлемый математический аппарат.
Для предварительного растепления промороженных грунтов можно использовать скважины, предназначенные для дальнейшей аэрации. Так, решение задачи «о промерзании жидкости при ее движении по трубе» позволяет
Таблица 2
Пределы температур для роста микроорганизмов
Название Пределы температуры (°С)
Минимум Оптимум Максимум
Психрофилы -10-0 15-20 20-30
Мезофилы 10-30 20-37 35-50
Термофилы 25-50 50-65 60-95
определить положение талой зоны, а так же время начала замерзание жидкости в следующей постановке:
50 тт50 — + и— = а „ дг дх
„ Т - Т
( д 20
1 50
л
дт г дт
0<г<Я; Т' Т0
(1)
канала (в данном случае скважины) при граничных условиях первого рода. Для определения радиуса зоны оттаивания (фазового перехода) по номограммам для безразмерной температуры и критерия Фурье определяется величина безразмерного радиуса (см. формулы 2).
а. ^ к = ^ * = Я -
т. - і
Я
(2)
где Т0 - температура жидкости на входе в трубу; Те - начальная температура окружающего массива; Тз - температура замерзания жидкости.
Однако для аналитических расчетов возможности растепления грунтов можно использовать задачу «о прогреве подземного трубопровода», либо термодинамическую задачу в следующей постановке [2, 4]. В промороженном горном массиве располагается система из нескольких уровней горизонтальных скважин, по которым идет постоянная циркуляция теплой воды. Необходимо определить радиус зоны оттаивания горных пород вокруг каждой скважины за различные периоды времени. Для решения принимаются следующие условия: диаметр труб (0.1 м), скорость движения жидкости и (0.1. м/с); температура жидкости на входе 1 (25 0С), начальная температура окружающего массива Те (-5 0С), температура фазового перехода Тф (0 0С). Применяем решение
Таким образом, предварительные расчеты показали, что за время т 10 сут радиус оттаивания составляет около 1 м, за 50 сут - 1,5 м, 100 сут - 2 м. Однако с учетом скрытой теплоты фазового перехода эти значения уменьшатся в 1.5-2 раза в зависимости от льдистости промороженных грунтов. Для экономии тепла трубы на поверхности можно соединить в единый цикл. Следующим шагом санации будет аэрирование оттаявшего почвенно-грунтового горизонта через эти же пластиковые перфорированные трубы. Причем, через скважины нижнего уровня будет осуществляться подача воздуха, а через скважины верхнего уровня его откачка вместе с легкими углеводородами в газовой фазе.
Все выше сказанное свидетельствует о сложности и разнообразии задач, возникающих на месте загрязнения грунтов углеводородами и необходимости комплексирования различных методов их изучения и очистки.
задачи о восстановлении температурного поля на поверхности теплообмена для цилиндрического
---------------------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1 Аренес В.Ж. и др. Очистка окружающей среды от углеводородных загрязнений. М., Изд. Интербук, 1999.
2 Кутателадзе С. С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление: Справочное пособие. М.: Энерго-атомиздат, 1990, 367 с.
3 Мироненко В.А., Петров НС. Загрязнение подземных вод углеводородами. Геоэкология, №1, 1995, с. 3-27.
4 Шувалов Ю.В., Хуцишвили В.Н., Петрусъ В.Г. Опыт тепловой защиты горных выработок в сложных геотермических и климатических условиях. Колыма, 1984, № 12, с. 6-8.
Коротко об авторах
Ильина Е.А. - аспирант СПГГИ (ТУ).
Шувалов Ю.В. - профессор, доктор технических наук, СПГГИ (ТУ).
----------------------- РУКОПИСИ, ДЕПОНИРОВАННЫЕ В ИЗДАТЕЛЬСТВЕ
МОСКОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА
1. Крапивин А.М. Анализ помехоустойчивости мостовых измерительных цепей с тесной взаимоиндуктивной связью - 8 с., 332/01-04.
