Пути решения проблемы загрязнения грунтов жидкими углеводородами на территориях горных предприятий Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 622.413.4

Ю.В.ШУВАЛОВ

Горный факультет, профессор кафедры экологии,

аэрологии и охраны труда

Е.А.ИЛЫША

Горный факультет, аспирант кафедры экологии,

аэрологии и охраны труда

ПУТИ РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМЫ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ГРУНТОВ ЖИДКИМИ УГЛЕВОДОРОДАМИ

НА ТЕРРИТОРИЯХ ГОРНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ

В настоящее время проблема нефтяного загрязнения грунтов на территории горных предприятий жидкими углеводородами является одной из самых актуальных. Изложены основные результаты изучения ореолов нефтяного загрязнения на некоторых объектах хранения нефтепродуктов в различных природно-климатических районах Русской плиты. Исследования показали, что для решения различных экологических задач необходим синтез механических и биологических методов санации грунтов и природных вод. Биологические методы заключаются в интродукции в очищаемый грунт углеводородокисляющих микроорганизмов в виде биопрепаратов с дополнительным внесением биогенов. Наиболее рациональные методы сана-ции необходимо внедрять на промышленных предприятиях Севера со сложными геотемпературными условиями. Метод биоремедиации «in situ» является наиболее выгодным с экологической и экономической точек зрения. Построение внутригрунтового биореактора с предварительным растеплением промороженных грунтов основывается на решении термодинамических задач. Получены предварительные оценки радиуса оттаивания грунтов для различных периодов времени (без учета скрытой теплоты фазового перехода).

Now the problem of the petroleum pollution of soil by the liquid petroleum in territory of the mining enterprises is one of the most urgent. In work the basic results of study of auras of petroleum pollution on some objects of a storage of petroleum in various nature-climatic areas of Russian plate are stated. The researches have shown, that the synthesis of the mechanical and biological methods of the remediation of soil and natural waters are necessary for the decision of various ecological tasks. The biological methods consist in introduction in a cleared ground special microorganisms as biopreparations with additional entering of biogenes. The most rational methods of the remediation are necessary for introducing in areas the enterprises of North with difficult geo-temperature conditions. The method of the bioremediation «in situ» is most favourable from the ecological and economic point of view. The construction of soil bioreactor with preliminary heating exposed to frost soil is based on the decision of the special thermodynamic tasks. The preliminary results of radius of thawing of grounds for the various periods of time (without the account of the latent heat of phase transition) are received.

Контаминация окружающей среды углеводородами (УВ) и продуктами их переработки занимает одно из первых мест в общем техногенном загрязнении природы в силу все возрастающих масштабов использования нефти и нефтепродуктов (НП), которые представляют собой комплексные токсиканты и по составу, и по видам биологической активности [2,3]. В связи с этим остро возникают следующие геоэкологические проблемы:

• изменение химического баланса в зоне аэрации;

• формирование гидро-, лито-, био- и атмохимических ореолов нефтяного загрязнения, связанных с подвижностью НП;

• загрязнение почв и грунтов различными УВ на территориях промышленных

Сложность и разнообразие этих проблем требует постановки специальных по-

___ 99

Санкт-Петербург. 2002

левых и экспериментальных работ, моделирования геоэкологических процессов, решения прогнозных задач и соответствующего методического обеспечения.

По характеру воздействия на окружающую среду можно выделить три группы очагов нефтяного загрязнения: 1) районы эксплуатации нефтяных и газовых месторождений; 2) районы транспортировки УВ; 3) районы промышленных предприятий (районы переработки, хранения и эксплуатации нефтепродуктов).

Особенности загрязнения природных вод и грунтов изучались на конкретных примерах в районах хранения НП Исследования проводились в разных ландшафтно-геологических условиях Русской плиты на трех объектах городов Котлас, Псков и Тольятти. На данных объектах в течение нескольких десятков лет эксплуатировались склады горючесмазочных материалов (ГСМ), где основными поллютантами являются авиационный керосин и бензин. Общими для рассматриваемых объектов являются следующие процессы:

1. Формирование устойчивого углеводородного загрязнения на обширных пло-щадях на глубину до 10 м и более, приводящего к загрязнению почвы, пород зоны аэрации, образованию на поверхности грунтовых вод плавающих линз НП и загрязнению самих грунтовых вод нефтепродуктами.

2. Активное взаимодействие

типов загрязнения природной среды, вызванных сорбированием НП в почвенном слое и зоне аэрации, просачиванием газового ореола загрязнения и специфической микрофлорой.

3. Расширение и углубление зоны техногенного воздействия на природную среду в процессе эксплуатации складов ГСМ, которые могут привести к тяжелым и, возможно, необратимым экологическим последствиям.

Основные экологические мероприятия должны быть направлены на ликвидацию очагов нефтяного загрязнения и снижение техногенной нагрузки на почву и горный массив. Первым шагом на пути решения практических задач стала разработка нового

вида скиммеров для извлечения жидких углеводородов из флюидоносного горизонта.

Для борьбы с нефтяным загрязнением на указанных объектах применялись различные виды биотехнологий, которые наиболее эффективны для очистки почв и поверхностных вод. В основе применяемых

лежит интродукция в очищаемый грунт углеводородокисляющих микроорганизмов, например, в виде биопрепарата «Сойлекс», разработанного ЗАО «Полиинформ» (Санкт-Петербург, Россия). Помимо биопрепарата необходимо и внесение биогенов (натрия, калия, фосфора и др.). В Котласе эффект очистки составил 70 % и за 2 года позволил удалить несколько тонн НП.

В настоящее время особое внимание следует уделять территориям промышленных предприятий Севера страны (например, «Воркутауголь» и «Ленинградсланец»), на которых необходимо внедрять наиболее рациональные способы санации грунтов в связи со сложными природно-климатическими условиями. Одним из основных способов может быть биоремедиация «in situ» непосредственно на месте контаминации, т.е. без выемки грунта. Этот способ наиболее выгоден с экологической и экономической точек зрения, так как не требует дополнительных затрат на вывоз загрязненного грунта, установку очистных сооружений, отстойников, коллекторов и др. Данный способ основы» вается на построении так называемого «внутригрунтового биореактора» под существующими производственными установками, автозаправочными станциями или путями сообщения (см. рисунок). Он представляет собой некий объем грунта, находящийся между фильтровальными трубами, расположенными на двух уровнях в горизонтально-направленных скважинах. Посредством этих труб осуществляется аэрация (кислородом или воздухом) почвенно-грунтового горизонта, стимулирующая жизнедеятельность микроорганизмов, способных разлагать УВ до простых соединений, таких как СО2, Н2О, N2 и др. Внесение в грунт биогенов повышает эффективность процесса. В промороженных грунтах необ-

100 ---

ISSN 0135-3500. Записки Горного института. Т.152

Компрессор, насо- Источники нефтяного

сы. аэрационная загрязнения

Схема внутригрунтового биореактора

ходимо предварительное их растепление

в горизонтальные создания оптимальных условий для нормальной жизнедеятельности бактерий. Особое внимание следует уделять

грации воздуха, воды и НП в прискважин-ной зоне и

математическим аппарат для их оценки

дель очага нефтяного загрязнения позволяет

химических свойств грунтов при

Дня объекта в г, Сланцы в его геологическом

I

чано-глинистых пород, еще и торфяных про

химического оарьера на пути движения орео-

ла загрязнения Здесь глубина термозоны терной программы такова, что можно тельного обойтись на

сезонно-талого слоя и гелж>

с помощью компью-«Тептю» С.Г.Гендлера)

исключить этап предвари-грунтов, без чего не „Воркуты, где мощность

зоны активного физического (морозного) выветривания и нефтяного загрязнения углеводородами, проникающими с поверхности, составляет около 14 м, Ниже располагаются

породы, служащие щие дальнейшему

продвижению углеводо-

родов. Для предварительного растепления промороженных грунтов можно использо-

ции. Положение талой зоны

для аэра-, а также время

начала замерзания жидкости определяется при решении задачи «о промерзании жидкости при ее движении по трубе» в следующей

ае ___

— + и — = аж дт дх

гд2в

\

дг

2

4-

\

дг

У

< г <

Т-Ъ

о

71

о

где и ~ скорость температура жидкости на

жидкости; Г0

5 То,

ва; аж - температуропроводность жидкости.

Для аналитических расчетов растепления грунтов можно использовать задачу «о прогреве подземного трубопровода», либо термодинамическую задачу в постановке [1,4]. В промороженном горном массиве располагается система из нескольких уровней горизонтальных скважин, по которым идет постоянная циркуляция теплой воды. Для расчета радиуса зоны оттаивания горных пород вокруг каждой скважины за различные периоды времени приняты следую-

установка

Ненасыщенный грунт ; (зона аэрации)

^ -^.„¿г,,.^а^у.а г;-;-:-:-:: хгзона аэрации) ;

-'цлК^ ...... •.. ,...........

♦ »ЗУ > •»•«!•»** ,/'Л,«1Л,т'<,»'>\'|' 1 ■ * • *л* * я • * * ' • г • * * •*••»• ьЗ £ % 1 дттг1'1 \ ООуР8 туК-^лйтаь ?гтп' о * •

.V оидини^пыи I иридии 1 „у

• » ■ • ......................—.........««.»«.. I ...»...#.« Э .......................7 « 9 1 ..» Т I , , «V, . Л'Л.Л.!» . , , . ♦ /• /. » » .%

——- 101

Санкт-Петербург. 2002

щие параметры: диаметр рость движения жидкости пература жидкости на

Л ?

U = ОД м/с; тем-/ - 25 °С

чальная температура окружающего массива Ге = -5 °С9 температура фазового перехода

турного поля на поверхности теплообмена для цилиндрического канала (в данном случае скважины) решается при граничных условиях первого рода. Для определения радиуса зоны оттаивания по номограммам для безразмерной температуры г и критерия Фурье определяется величина безразмерного радиуса:

Гг-гч

, - Т „ ах

8 - -; К„ =

Tq t

о

R

о

что за

где а - температуропроводность вещества. Предварительные расчеты показали,

1 = 10 сут радиус оттаивания около 1м, за 50 сут - 1,5 м,

учесть

теплоту фазового перехода, эти снизятся в 1,5-2 раза в зависимости от льди

Для экономии тепла трубы на поверхности можно соединить в единый цикл. Следующим шагом санации

через эти же пластиковые трубы. Через скважины нижнего дет осуществляться подача

скважины верхнего - его откачка легкими углеводородами в газовой

сложности и разнообразии задач санации грунтов от загрязнения углеводородами и необходимости комплексировання различных методов их изучения и очистки.

ЛИТЕРАТУРА

1. Кутателадзе С. С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление: Справочное пособие. М.: Э н ер гоато м из дат, 1990.

2. Мироненко В.А. Загрязнение подземных вод углеводородами / В.А.Мироненко, Н.С.Петров // Геоэкология.! 995. №1.

3. Очистка окружающей среды от углеводородных загрязнений. М.: Интербук, 1999.

4. Шувалов Ю.В. Опыт тепловой защиты горных выработок в сложных геотермических и климатических условиях / Ю.В.Шувалов, В.Н.Хуцишвили, В.Г.Петрусь // Колыма. 1984. № 12.

102 ------------—--------

ISSN 0135-3500. Записки Горного института. Т.152