Рекультивация загрязненных нефтью земель. Технологии рекультивации нефтезагрязненных земель Канадский метод рекультивации нефтезагрязненных земель

Техногенные потоки углеводородов в ландшафтах, в особенности нефти с солеными водами, приводят к потере продуктивности земель, деградации растительности, образованию бедлендов. Для почв и грунтов, сильно загрязненных нефтью и нефтепродуктами характерны неблагоприятные структурные и физико-химические свойства для использования их в хозяйственных целях. Отдавая сорбированные углеводороды в виде растворенных продуктов, эмульсий или испарений, загрязненные почвы служат постоянным вторичным источником загрязнения других компонентов окружающей среды: вод, воздуха и растений.

Рекультивация земель - это комплекс мероприятий, направленных на восстановление продуктивности и хозяйственной ценности нарушенных и загрязненных земель, а также на улучшение условий окружающей среды. Задача рекультивации - снизить содержание нефтепродуктов и находящихся с ними других токсичных веществ до безопасного уровня, восстановить продуктивность земель, утерянную в результате загрязнения.

Результаты научных исследований по рекультивации почв в различных регионах мира публикуются многими отечественными и зарубежными авторами. Обзор этих работ вместе с новыми данными был опубликован в книге коллектива авторов (Восстановление нефтезагрязненных.., 1988). Необходимо отметить, что исследования, осуществляемые в различных почвенно-климатических условиях и разными методами, часто дают неоднозначные или прямо противоположные результаты. Недостаточным бывает и срок наблюдений, что не позволяет учесть последействие проводимых мероприятий. В настоящее время применяют несколько принципиально различных способов рекультивации почв, загрязненных нефтью и нефтепродуктами.

Термический и термоэкстракционный способы. Нефтепродукты удаляют путем прямого сжигания на месте, либо в специальных установках. Наиболее дешевый способ - сжигание нефтепродуктов или нефти на поверхности почвы. Этот способ неэффективен и вреден по двум причинам: 1) сжигание возможно, если нефть лежит на поверхности густым слоем или собрана в накопители, пропитанные ею почва или грунт гореть не будут; 2) на месте сожженных нефтепродуктов продуктивность почв, как правило, не восстанавливается, а среди продуктов сгорания, остающихся на месте или рассеянных в окружающей среде, появляется много токсичных, в частности канцерогенных, веществ.

Очистка почв и грунтов в специальных установках путем пиролиза или экстракции паром дорогостояща и малоэффективна для больших объемов грунта. Во-первых, требуются большие земляные работы для пропускания грунта через установки и укладки его на место, в результате чего разрушается естественный ландшафт; во-вторых, после термической обработки в очищенной почве могут остаться новообразованные полициклические ароматические углеводороды - источник канцерогенной опасности; в-третьих, остается проблема утилизации отходящих экстрактов, содержащих нефтепродукты и другие токсичные вещества.

Экстракционная очистка почвы “т-в^и” поверхностноактивными веществами. Технология очистки почв и грунтовых вод путем промывания их поверхностно-активными веществами применяется, например, на базах ВВС США. Этим способом можно удалить до 86% нефти и нефтепродуктов; он наиболее эффективен для глубокозалегающих водоносных горизонтов, по которым фильтруется загрязненная грунтовая вода. Применение же его в широких масштабах вряд ли целесообразно, так как поверхностно-активные вещества сами загрязняют среду и появится проблема их сбора и утилизации.

Микробиологическая рекультивация с внесением штаммов микроорганизмов. Очистка почв и грунтов путем внесения специальных культур микроорганизмов - один из наиболее распространенных способов рекультивации, основанный на изучении процессов биодеградации нефти и нефтепродуктов. Современный уровень изученности микроорганизмов, способных ассимилировать углеводороды в природных и лабораторных условиях, позволяет утверждать теоретическую возможность регулирования процессов очистки нефтезагрязненных почв и грунтов. Однако многоступенчатость биохимических процессов разложения углеводородов разными группами микроорганизмов, осложняющаяся разнообразием химического состава нефти, обусловливает сложность регуляции устойчивого процесса их разложения. При использовании микробиологических методов возникают сложные проблемы взаимодействия вносимых в почву популяций с естественной микрофлорой. Определенные трудности связаны с отсутствием современных технических средств и методов непрерывного наблюдения и регулирования многофакторной системы субстрат - микробиоценоз - продукты метаболизма в условиях реальной почвы.

К применению бактериальных препаратов, полученных на основе монокультур, выделенных из природных штаммов в тех или иных регионах, следует подходить осторожно. Известно, что в разложении нефти принимает участие целый микробиоценоз с характерной структурой трофических связей и энергетического обмена, участвующий в разложении углеводородов на разнь этапах специализированными эколого-трофическими группами (Ис-майлов, 1988). Поэтому внедрение монокультуры может привести только к кажущемуся эффекту. Кроме того, подавление ею местного микробиоценоза может негативно сказаться на всей почвенной экосистеме и нанести ей больший вред, чем нефтяное загрязнение. Микробиологические препараты эффективно работают, как правило, в условиях достаточного увлажнения в сочетании с агротехническими приемами (Дядечко и др., 1990). Но эти же приемы стимулируют развитие находящихся в почвах тех же штаммов в сочетании со всем микробиоценозом, что ускоряет естественный процесс самоочищения.

Методы рекультивации, основанные на интенсификации процессов самоочищения. Приемы рекультивации, создающие условия для работы подавленных при сильном загрязнении механизмов естественного самоочищения почв, наиболее оптимальны и безопасны для почвенных экосистем. Разработке этой концепции для различных природных зон были посвящены исследования ряда лабораторий (Восстановление нефтезагрязненных 1988).

При оценке последствий нефтяного загрязнения не всегда можно сказать, вернется ли ландшафт к устойчивому состоянию или будет необратимо деградировать. Поэтому на всех мероприятиях, связанных с ликвидацией последствий загрязнения, с восстановлением нарушенных земель, необходимо исходить из главного принципа, не нанести природной среде больший вред, чем тот, который уже нанесен при загрязнении.

Суть концепции восстановления ландшафтов - максимальная мобилизация их внутренних ресурсов на восстановление своих первоначальных функций. Самовосстановление и рекультивация представляют собой неразрывный биогеохимический процесс. Рекультивация - это продолжение (ускорение) процесса самоочищения, использующее природные резервы - климатические, ландшафтно-геохимические и микробиологические.

Самоочищение и самовосстановление почвенных экосистем, загрязненных нефтью и нефтепродуктами, это стадийный биогеохимический процесс трансформации загрязняющих веществ, сопряженный со стадийным процессом восстановления биоценоза. Для разных природных зон длительность отдельных стадий этих процессов различна, что связано в основном с почвенноклиматическими условиями. Важную роль играют и состав нефти, наличие сопутствующих солей, начальная концентрация загрязняющих веществ.

Процесс естественного фракционирования и разложения нефти начинается с момента ее поступления на поверхность почвы или сброса в водоемы и водотоки. Закономерности этого процесса во времени были выяснены в общих чертах в ходе многолетнего эксперимента, проводимого на модельных участках в лесотундровой, лесной, лесостепной и субтропической природных зонах. Основные результаты этого эксперимента изложены в предыдущей главе.

Выделяют три наиболее общих этапа трансформации нефти в почвах: 1) физико-химическое и частично микробиологическое разложение алифатических углеводородов; 2) микробиологическое разрушение главным образом низкомолекулярных структур разных классов, новообразование смолистых веществ; 3) трансформация высокомолекулярных соединений: смол, асфальтенов, полициклических углеводородов. Длительность всего процесса трансформации нефти в разных почвенно-климатических зонах различна: от нескольких месяцев до нескольких десятков лет.

В соответствии с этапами биодеградации происходит постепенная регенерация биоценозов. Эти.процессы идут медленно, разными темпами, в разных ярусах экосистем. Значительно медленней, чем микрофлора и растительный покров, формируется сапрофитный комплекс животных. Полной обратимости процесса, Как правило, не наблюдается. Наиболее сильная вспышка микробиологической активности приходится на второй этап биодеградации нефти. При дальнейшем снижении численности всех групп микроорганизмов до контрольных значений численность уг-леводородокисляющих микроорганизмов на многие годы остается аномально высокой по сравнению с контролем.

Как было установлено в опытах с многолетним злаком Костром безостым, восстановление нормальных условий для его произрастания на загрязенной нефтью почве зависит от уровня начального загрязнения. В южнотаежной зоне (Пермское Прикамье) при уровне нагрузки нефти на почву 8 л/м 2 уже через год после одноактного загрязнения (без участия солей) злак мог нормально расти в спонтанно восстанавливающейся экосистеме. При более высоких первоначальных нагрузках (16 и 24 л/м 2) нормальный рост растения не восстанавливался, несмотря на прогрессирующие процессы биодеградации нефти.

Таким образом, механизм самовосстановления экосистемы после нефтяного загрязнения достаточно сложен. Для управления этим механизмом необходимо определить границы метастабиль-ного состояния экосистемы, в которых еще возможно хотя бы частичное самовосстановление, и найти эффективные способы, как вернуть экосистему в эти границы. Решение этой задачи поможет определить оптимальные пути рекультивации загрязенных нефтью почвенных экосистем.

Как указано выше, механические и физические методы не могут обеспечить полное удаление нефти и нефтепродуктов из почвы, а процесс естественного разложения загрязнений в почвах чрезвычайно длителен. Разложение нефти в почве в естественных условиях - процесс биогеохимический, в котором главное и решающее значение имеет функциональная активность комплекса почвенных микроорганизмов, обеспечивающих полную минерализацию углеводородов до СОг и воды. Так как углеводородокисляющие микроорганизмы являются постоянными компонентами почвешшх биоценозов, естественно возникло стремление использовать их ка-таболическую активность для восстановления нефтезагрязненных почв. Ускорить очистку почв от нефтяных загрязнений с помощью микроорганизмов возможно в основном двумя способами: 1) активизацией метаболической активности естественной микрофлоры почв путем изменения соответствующих физико-химических условий среды (с этой целью используются хорошо известные агротехнические приемы); 2) внесением специально подобранных активных нефтеокисляющих микроорганизмов в загрязненную почву. Каждый из этих способов характеризуется рядом особенностей, а их практическая реализация часто наталкивается на трудности технического и экологического порядка.

С помощью агротехнических приемов можно ускорить процесс самоочищения нефтезагрязненных почв путем создания оптимальных условий для проявления потенциальной катаболической активности УОМ, входящих в состав естественного микробиоценоза. Распашка загрязненных нефтью территорий рекомендуется спустя некоторое время, в течение которого нефть частично разлагается (Mitchell et al., 1979). Обработка является мощным регулирующим фактором, стимулирующим самоочистку нефтезагрязненных почв. Она положительно влияет на микробиологическую и ферментативную активность, так как способствует улучшению условий жизнедеятельности аэробных микроорганизмов, которые количественно и по интенсивности метаболизма доминируют в почвах и являются основными деструкторами углеводородов. Рыхление загрязненных почв увеличивает диффузию кислорода в почвенные агрегаты, снижает концентрацию углеводородов в почве в результате улетучивания легких фракций, обеспечивает разрыв поверхностных пор, насыщенных нефтью, но в то же время способствует равномерному распределению компонентов нефти в почве и увеличению активной поверхности. Обработка почвы создает мощный биологически активный слой с улучшенными агрофизическими свойствами. В почве при этом создается оптимальный водный, газовоздушный и тепловой режим, растет численность микроорганизмов и их активность, усиливается активность почвенных ферментов, увеличивается энергия биохимических процессов.

В первые недели и месяцы после загрязнения происходят в основном абиотические процессы изменения нефти в почве. Идет стабилизация потока, частичное рассеяние, понижение концентрации, что дает возможность микроорганизмам адаптироваться, перестроить свою функциональную структуру и начать активную деятельность по окислению углеводородов. В первые месяцы после загрязнения содержание нефти в почве снижается на 40-50%. В дальнейшем это снижение идет очень медленно. Меняются диагностические признаки остаточной нефти, вещество, первоначально почти полностью извлекающееся гексаном, затем преимущественно извлекается хлороформом и другими полярными растворителями.

Первая стадия длится в зависимости от природных условий от нескольких месяцев до полутора лет. Она начинается физикохимическим разрушением нефти, к которому постепенно подключается микробиологический фактор. Прежде всего разрушаются метановые углеводороды (алканы). Скорость процесса зависит от температуры почв Так, в эксперименте за год содержание этой фракции снизилось: в лесотундре на 34%, в средней тайге на 46%, в южной - на 55%. Параллельно снижению доли алканов в остаточной нефти увеличивается относительное содержание смолистых веществ. Вторая стадия деградации длится около 4-5 лет и характеризуется ведущей ролью микробиологических процессов. К началу третьей стадии разрушения нефти в ее составе накапливаются наиболее устойчивые высокомолекулярные соединения и полициклические структуры при абсолютном снижении содержания последних.

Первый этап рекультивации соответствует наиболее токсичной геохимической обстановке, максимальному ингибированию биоценозов. На этом этапе целесообразно проводить подготовительные мероприятия: аэрацию, увлажнение, локализацию загрязнения. Цель этих мероприятий - интенсификация микробиологических процессов, а также фотохимического и физического процессов разложения нефти, снижения ее концентрации в почве. На этом этапе оценивается глубина изменения почвенной экосистемы, направленность ее естественной эволюции. Длительность первого этапа в разных зонах различна, в средней полосе она равна примерно одному году.

На втором этапе на загрязненных участках проводится пробный посев культур с целью оценить остаточную фитотоксичность почв, интенсифицировать процессы биодеградации нефти, улучшить агрофизические сзойства почв. На этом этапе проводится регулирование водного режима и кислотно-щелочных условий почвы, проводятся, в случае необходимости, мероприятия по рассолению. На третьем этапе восстанавливаются естественные растительные биоценозы, создаются культурные фитоценозы, практикуется посев многолетних растений.

Общая длительность процесса рекультивации зависит от почвенно-климатических условий и характера загрязнения. Наиболее быстро этот процесс может быть завершен в степных, лесостепных, субтропических районах. В северных районах он будет продолжаться более длительное время. Ориентировочно весь период рекультивации в разных природных зонах занимает от 2 до 5 лет и более.

Особого рассмотрения заслуживает вопрос о внесении в почву различных мелиорантов, в частности минеральных и органических удобрений, для ускорения процессов разложения нефти. Необходимость таких мероприятий пока экспериментально не доказана.

В работе (McGill, 1977) обсуждается вопрос о конкуренции между микроорганизмами и растениями за азот в нефтезагрязненной почве. Ряд авторов предлагают вносить в почвы азотные и другие минеральные удобрения в сочетании с различными добавками: (известью, поверхностно-активными веществами и т.д.), а также органические удобрения (например, навоз). Внесение этих удобрений и добавок призвано усилить деятельность микроорганизмов и ускорить разложение нефти. Эти мероприятия давали в ряде случаев положительные результаты, в основном в первый год после их применения. При этом не всегда учитывались более отдаленные эффекты - ухудшение состояния почв и растений в последующие годы. Например, опыты, проведенные в Пермском Прикамье, с внесением в загрязненную почву минеральных удобрений и извести показали, что через два года после загрязнения на “удобренной” почве растения развивались не лучше, а местами даже хуже, чем на почве с таким же загрязнением, но не содержащей мелиорантов.

Таким образом, необходимы многолетние исследования с разными типами почв и нефтей, соотнесенные с определенными природными условиями. Пока же можно рекомендовать внесение мелиорантов лишь на третьем, заключительном, этапе рекультивации после тщательного химического исследования почв.

Все эти вопросы трудно решить чисто эмпирическим путем, так как число вариантов опытов оказывается практически бесконечным. Необходимы комплексные фундаментальные исследования в области биогеохимии и экологии загрязненных почв с целью разработки теории процесса и научных рекомендаций на ее основе.

На основании проведенных экспериментальных исследований можно сделать следующие выводы по условиям трансформации и рекультивации нефти в почвах разных природных зон.

Светлые серо-коричневые почвы сухих субтропиков Азербайджана. Условия трансформации углеводородов характеризуются превышением испаряемости над увлажнением, малым горизонтальным водным стоком, повышенной микробиологической и ферментативной активностью почв. Наиболее интенсивные процессы трансформации нефти идут в первые месяцы после загрязнения, затем они замедляются в несколько раз. Через год количество остаточной нефти составляло 30% от первоначального количества, через четыре года - 23%. Примерно 30% нефти, содержащей много тяжелых фракций, минерализуется или испаряется. Остальная часть преобразуется в малорастворимые продукты метаболизма, которые остаются в гумусовом горизонте почв, мешая восстановлению их плодородия. Наиболее эффективный способ рекультивации - усиление функциональной активности микроорганизмов путем увлажнения, аэрации, внесения ферментов, фитомелиорации.

Подзолисто-желтоземные и иловато-глеевые почвы влажных субтропиков. Самоочищение почв от нефти происходит в условиях интенсивного поверхностного водного стока, высокой микробиологической активности почв. Естественное очищение и восстановление растительности происходит в течение нескольких месяцев.

Подзолистые и дерново-подзолистые почвы лесо-таежной области Западной Сибири и Приуралья. Самоочищение почв и трансформация нефти проходят в условиях повышенного увлажнения, что способствует горизонтальному и вертикальному рассеиванию нефти в первый период после загрязнения. За счет водного рассеяния в течение первого года с территории загрязнения может быть удалено и перераспределиться в окружающем пространстве до 70% внесенной нефти. Микробиологическая и ферментативная активность почв ниже, чем в южных районах. В течение года в продукты микробиологического метаболизма превращается примерно 10-15% первоначально внесенной нефти. Наиболее эффективные способы защиты и рекультивации - предотвращение разлива нефти с помощью искусственных и естественных сорбентов, естественное выветривание на первой стадии с последующей фитомелиорацией. Ллительность восстановления почв не менее 4-5 лет.

Тундрово-глеевые почвы лесотундровой области. Процессы биодеградации нефти идут с очень малой скоростью. Самоочищение почв происходит в основном за счет механического рассеяния. Эффективные способы рекультивации неясны.

Применяемые в России методы технической и биологической рекультивации земель имеют недостатки, которые делают их или неэффективными или дорогостоящими.

На практике наиболее часто используются следующие методы:

1. Техническая рекультивация с засыпкой грунтом и высеиванием трав – способ дает косметический эффект, поскольку нефть остается в грунте. Кроме того, необходим большой объем земляных работ.
2. Техническая рекультивация с вывозом нефтезагрязненного грунта на полигоны отходов. Способ практически нереальный с экономической точки зрения, так как большие обьемы нефтезагрязненного грунта и высокая стоимость транспортировки и размещения отходов могут многократно перекрыть прибыли компании.
3. Засыпка сорбентом (торфом) с последующей вывозкой на полигоны отходов. Недостатки те же, что и в предшествующем методе.
4. Использование нефтеэкстрагирующих установок импортного производства. Производительность этих установок 2-6 м3 в сутки, что при стоимости установки в 150000 $ и персонале 3 человека делают ее крайне неэффективной. Зарубежные компании уже не используют такие установки и пытаются продать их в России, выдавая за последнее слово науки и техники.
5. Использование микробиологических препаратов типа «путидойл» и им подобных. Препараты активны только на поверхности, поскольку необходим контакт с воздухом, и во влажной среде при относительно высокой температуре. Очень хорошо себя зарекомендовал при рекультивации летом морских побережий Кувейта, загрязненных во время военных действий. В Сибири популярен за счет легкости и дешевизны применения. Очень хорош для отчетности, когда нет проверки результата на месте.

Мы рекомендуем канадский способ рекультивации грунта, который не капризен к температуре, не требует транспортировки грунта и полигонов отходов, не требует инвестиций в специальную технику и постоянного технического персонала. Способ очень гибкий, позволяет модифицировать, используя различные материалы, микробиологические препараты, удобрения.

Условно мы его назвали методом «парниковой гряды», потому что в основе метода лежит микробиологическое окисление с естественным повышением температуры — как «горит» навозная куча. Устройство гряды представлено на рис.1.

На грунтовую подушку шириной 3 метра укладываются змейкой перфорированные пластиковые трубы, которые затем засыпаются слоем гравия, щебня или керамзита, или материала типа «дорнит». На эту пористую подушку сэндвичем укладываются чередующиеся слои нефтезагрязненного грунта и удобрений. В качестве последнего используется навоз, торф, опил, солома и минеральные удобрения, можно добавлять микробиологические препараты. Гряда укрывается полиэтиленовой пленкой, в трубы подается воздух от компрессора соответствующей мощности. Компрессор может работать или на топливе, или на электричестве – если есть подключение. Воздух распыляется в пористой подушке и способствует быстрому окислению. Трубы можно использовать многократно. Пленка предотвращает охлаждение; если подавать нагретый воздух и дополнительно утеплить гряду торфом или «дорнитом», то способ будет эффективен и зимой. Нефть окисляется практически полностью за 2 недели, остаток нетоксичен и на нем прекрасно растут растения. Эффективно, экономично, производительно!

Естественный процесс минерализации нефти достаточно длителен, поэтому необходимо мероприятия, которые могли бы ускорить данный процесс.

Агрохимическими методами рекультивации следует комплекс мероприятий, который включают вспашку и рыхление нефтезагрязненной почвы, внесение минеральных удобрений и проведение мелиоративных работ на загрязненной территории, а также посевов сидеральных культур. В случае необходимости возможна замена загрязненного верхнего слоя грунта плодородным субстратом. Весь комплекс агротехнических мероприятий -- рыхление почвенных слоев, создание нормального соотношения между углеродом и азотом, известкование и гипсование, внесение необходимых макро- и микроэлементов -- направлен на активизацию естественных процессов, происходящих в почве, оптимизацию условий жизнедеятельности почвенной микробиоты. Биологическая очистка почвы и грунтовых вод, загрязненных различными органическими веществами, имеет значительное преимущество по сравнению с обычно применяемыми методами, поскольку при биологическом разложении вредных веществ до С0 2 , Н 2 0 и неорганических солей сохраняется биологическая активность почвы.

Поддержание почвы во влажном состоянии -- один из агротехнических приемов управления биологической активностью, который оказывает эффективное воздействие на темпы разложения нефти и нефтепродуктов. Благоприятный водный режим почвы достигается путем полива. Улучшение водного режима, в частности, влияет на подвижность питательных веществ, микробную жизнедеятельность и активность биологических процессов. Наблюдения показали, что недостаток влаги замедляет зарастание рекультивированных участков. Воздействие на микробиологическую и ферментативную активность почвы усиливается при одновременном использовании агрохимических приемов, например внесения удобрений и рыхления.

При обработке нефтезагрязненной почвы рекомендуется использовать сельскохозяйственные орудия для ротационной подготовки. Таким инструментом может быть, например, ротационный плуг марки ПР-2,7 или комбинированный лемешный плуг ПВН-3-35. На кафедре эксплуатации машинно-тракторного парка Пермской сельскохозяйственной академии рассчитан, сконструирован и изготовлен экспериментальный плуг ПЛН-3-35 с активными рабочими органами и вертикальными роторами. Безусловно, вид агротехнической обработки каждой конкретной загрязненной почвы должен определяться специалистами, в противном случае эффект от такой обработки будет значительно снижен (Кузнецов Ф. М., 2003).

В качестве эффективных приемов рекультивации загрязненных нефтью почв предлагаются (Гайнутдинов, 1988) многократное рыхление почвы для улучшения аэрации, внесение органических и минеральных азотно-фосфорных удобрений, посев сидеральных культур, замена загрязненного верхнего слоя грунта плодородным субстратом. Детоксикацию слабозагрязненных нефтепродуктами почв рекомендуется производить с помощью заделки в почву ротационной бороной БИГ-3 мелиорантов следующего состава: клиноптилоллит -- 80--100 т/га, диспергированный мел -- 2,5 т/га, аммиачная селитра -- 0,01--0,02 т/га, а также отдельно приготовленный и внесенный в данную смесь перед обработкой загрязненной почвы силикон -- 0,005--0,01 т/га.

Созданию оптимальных условий размножения и роста микробных клеток, в том числе и углеводородокисляющих, способствует внесение на загрязненные участки таких минеральных удобрений -- источников азота и фосфора, как калиевая или натриевая селитра, нитроаммофоска, аммиачная вода и суперфосфат в количествах, зависящих от уровня загрязненности, но с таким расчетом, чтобы начальное соотношение между элементами углерод: азот: фосфор поддерживалось на уровне 100:10:1, что является оптимальным для роста бактериальных клеток. Очень часто на практике применяют такие широко распространенные мелиоранты, как навоз и солома. Навоз ускоряет процесс эмульгирования и микробиологического разложения токсических компонентов отработанных буровых растворов. Добавление соломы способствует аэрации почвы и развитию почвенных микроорганизмов. С соломой вносится значительное количество лигнина, представляющего собой резерв для адсорбции углеводородсодержащих веществ (Хазиев, Фахтиев, 1981).

Для восстановления плодородия земель сельскохозяйственного назначения в период биологической рекультивации вносят навоз и известь. Рекультивацию нефтезагрязненных земель, нарушенных при бурении нефтяных скважин пластовыми водами со слабой минерализацией, проводили путем внесения мелиоранта (фосфогипса) и навоза. Очистку осуществляли в течение трех лет.

Период самовосстановления земель, нарушенных при строительстве скважин, составляет не менее 20 лет. Внесение разработанных многокомпонентных добавок сокращает срок мелиоративного периода до 5 лет. После окончания строительства нефтяных и газовых скважин для восстановления плодородия нарушенных земель могут быть использованы навоз и солома, ускоряющие биологическое разложение жидких отходов бурения. На территории буровых скважин закладывают дренажные траншеи глубиной 2,5 -- 3 м, ширина которых составляет примерно 0,6 м. Траншеи выполняют параллельными рядами длиной 100 -- 150 м с расстоянием между ними 4 -- 5 м. Их заполняют на одну треть объема навозом, предварительно обработанным фосфогипсом и смешанным с измельченной соломой, и пропускают затем буровой раствор, который пропитывает эту смесь. Компоненты компоста и жидкие отходы бурения вносят в траншею в следующем соотношении: навоз -- 10 -- 15 %, фосфогипс -- 2--3 %, солома -- 20 -- 30 % и жидкие отходы бурения -- до 100 %.

Оригинальный метод разработан для предотвращения загрязнения посевного материала и ускорения разложения нефтепродуктов. На загрязненную поверхность наносят слой сухого мохового очеса, предварительно перемешанного с раскислителем и фосфорно-калийными удобрениями, на него вносят семена и укрывают их также слоем сухого мохового очеса с раскислителем и фосфорно-калийными удобрениями, при этом азотные удобрения вносят с семенами. Моховой очес болот представляет собой продукт низкой степени разложения, состоящий из отмерших растений мхов и лишайников. Очес послойно сгребают в бурты для просушки. Перед сгребанием на сухой очес наносят разбрасывателем минеральные удобрения (известь, доломит или мел) из расчета 20 кг на 1 м 3 очеса и фосфорно-калийные удобрения из расчета 600 -- 900 г хлористого калия и 500 г суперфосфата. Подготовленная таким образом смесь очеса с минеральными удобрениями и известью готова к употреблению и может храниться в течение нескольких лет. На загрязненную поверхность может быть нанесена как в виде сухой россыпи, так и в виде ковра.

Механические, агротехнические и химические способы рекультивации нефтезагрязненных земель зависят от степени загрязнения.

При малой степени загрязнения 10 л на 1 м 2 почвы для восстановления земель было достаточно многократной механической обработки почвообрабатывающими машинами: плугами, культиваторами, оборудованными пассивной или активной рабочей частью. Полная рекультивация достигалась в течение года.

Если степень загрязнения достигала 24 л на 1 м 2 , рекультивацию проводили в течение двух лет. К механическим мерам воздействия добавляли агротехнические: проводили известкование, гипсование, вносили минеральные и органические удобрения, применяли эмульгаторы.

При высокой степени загрязнения для восстановления почв применяют комплекс механических, агротехнических и химических мер. Наряду с механической обработкой почвы и внесением удобрений, загрязненную почву обрабатывают химическими веществами, которые, вступая в реакцию с вредными элементами нефтепродуктов, образовывают соединения, удаляемые из почвы под воздействием солнца, дождя, снега. Полная рекультивация достигается в течение трех лет. Таким образом, с помощью агротехнических приемов можно ускорить процесс самоочищения нефтезагрязненных почв путем создания оптимальных условий для проявления потенциальной катаболитической активности углеводородокисляющих микроорганизмов, входящих в состав естественного микробиоценоза.

Нефтяные загрязнения почвы и воды, которые в последнее время встречаются все чаще, наносят большой ущерб окружающей среде. Одним из важнейших природоохранных мероприятий, направленных на восстановление плодородия нефтезагрязненных земель, является рекультивация. Применение сорбционно-биологических технологий на основе сфагнума в последние годы дает прекрасные результаты.

Причины нефтезагрязнений

Разлив нефти может произойти как при ее добыче, транспортировке и хранении, так и при переработке и применении в технологических процессах. Помимо этого, причинами нефтезагрязнения зачастую становится физический износ оборудования или его механическое повреждение. Лидирующие позиции по числу аварийных разливов нефти и нефтепродуктов занимают магистральные и внутрипромысловые продуктопроводы. Подавляющее большинство ЧП здесь связано с коррозией оборудования и некачественными строительно-монтажными работами, лишь незначительная часть — с заводским браком и ошибками эксплуатации.

Природоохранное законодательство РФ предписывает локализовать и ликвидировать разлив нефти и нефтепродуктов в кратчайшие сроки и довести до допустимого уровня остаточное содержание углеводородов в окружающей среде. Должны быть проведены работы по рекультивации земель, полностью или частично утративших продуктивность в результате разлива нефти. Рекультивируемые земли и прилегающие к ним территории и водные резервуары после завершения всего комплекса работ должны представлять собой оптимально организованный и экологически сбалансированный устойчивый ландшафт. Согласно постановлению Правительства РФ «О неотложных мерах по предупреждению и ликвидации аварийных разливов нефти и нефтепродуктов» на каждом предприятии должен быть разработан план по предупреждению и ликвидации аварийных разливов нефти и нефтепродуктов (ПЛАРН). Однако на практике большинство предприятий не только не разработали ПЛАРН, но и не имеют в наличии технических средств и материалов для устранения аварийного разлива нефти и нефтепродуктов.

Методы локализации и ликвидации аварийных разливов нефти

Механические методы локализации и ликвидации аварийных разливов нефти позволяют собирать с поверхности почвы и воды при помощи специализированных механизмов и устройств основную массу разлитых углеводородов. При этом внушительная часть углеводородов впитывается в почву, и собрать их механическими методами не представляется возможным. С развитием науки и техники наравне с механическими методами ликвидации разлива нефтепродуктов стали применяться физико-химические и биологические методы. Физико-химические методы устранения нефтезагрязнений основаны на применении сорбционных материалов, которые обладают способностью поглощать нефть. Эти материалы можно разделить на адсорбенты и абсорбенты в зависимости от механизма поглощения нефти. В свою очередь каждый из этих материалов различается своим происхождением, дисперсностью, нефте-емкостью, плавучестью, влагоемкостью и другими показателями.

Сегодня применяются неорганические и органические сорбенты, имеющие как природное, так и синтетическое происхождение. Многие сорбенты универсальны, поскольку способны поглощать довольно большой спектр нефтепродуктов. В последнее время при выборе средств для ликвидации аварийных разливов и их последствий все большее предпочтение отдается сорбентам, способным не только хорошо поглощать нефть и нефтепродукты, но и разлагать их на простые и безопасные вещества — углекислый газ и воду. В этом случае процесс биоразложения нефтепродуктов достигается естественным путем при помощи микроорганизмов. Чтобы ускорить биоразложение нефтепродуктов, наравне с сорбентами могут применяться биопрепараты, в состав которых входят колонии различных микроорганизмов-биодеструкторов нефтепродуктов.

Рис. 1. Динамика снижения содержания углеводородов в нефтезагрязненной почве по отношению к исходному содержанию через 2 недели

Рекультивация почвы и водоемов с помощью биоразлагающих сорбентов

Разлив нефтепродуктов способен уничтожить флору и фауну, вызвать мутацию микроорганизмов, живущих в почве и в воде. Восстановление растительности на нефтезагрязненных поч-вах замедляется либо не представляется возможным вовсе.

Рекультивация нефтезагрязненных земель — это первостепенная задача при ликвидации последствий разлива нефти и нефтепродуктов. В проведении рекультивационных работ нуждается 95,9% общего количества нефтезагрязненных земель. Ежегодно площади нарушенных земель, требующих рекультивации, увеличиваются на 10 тыс. га в год.
Стоит вспомнить недавний пример: 25 апреля 2012 г. из-за незаконной врезки в трубопровод, принадлежащий комбинату Росрезерва «Прибайкалье», в Ангару попало свыше 300 т нефтепродуктов. На данный момент утечка устранена, однако концентрация загрязнений, как сообщает Росприроднадзор, превышает норму в 20-120 раз — в зависимости от удаленности от источника загрязнения.

Хорошие показатели рекультивации нефтезагрязненных площадей достигаются благодаря использованию абсорбента на основе модифицированного сфагнового мохового торфа. Суть модификации состоит в том, что при высокотемпературной обработке торф меняет свои свойства с гидрофильного на гидрофобное и олеофильное. Гуминовая составляющая работает как катализатор активности аборигенного биоценоза, значительно повышая эту активность и ускоряя его взаимодействие с углеводородами. После биологического распада углеводорода торфяная капсула переходит в гидрофильное состояние и начинает впитывать воду, как в обычных природных условиях, становясь полезным компонентом как почвы, так и воды.

С целью подтверждения эффективности применения на водной поверхности абсорбента на основе модифицированного сфагнового мохового торфа проводились испытания на базе одной из эколого-аналитических лабораторий. В ходе этих испытаний были определены основные показатели данного абсорбента: насыпная плотность, нефтеемкость, плавучесть; проверена сорбирующая способность абсорбента по нефти на водной поверхности. Кроме того, была определена оценка степени очистки водной поверхности от нефти абсорбентом. Измерения на основе флуориметрического метода показали, что среднее остаточное содержание растворенной нефти в воде после применения сорбента для сбора разлитой нефти, полученное из трех измерений, составляет 0,086 мг/л (0,094; 0,073; 0,091). Это полностью соответствует ПДК в воде объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования: предельное содержание нефти 0,3 мг/л, многосернистой нефти — 0,1*.

Специалистами кафедры промышленной экологии РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина под руководством зав. кафедрой профессора С. В. Мещерякова было подробно изучено влияние торфяного абсорбента на очистку почвы от нефтяного загрязнения. Эксперимент, проводившийся в лаборатории кафедры в течение семи месяцев, показал, что применение абсорбента на базе модифицированного сфагно-вого мохового торфа при рекультивации почв, загрязненных нефтью, приводит к значительному снижению содержания в почве углеводородов, уменьшению показателей токсичности до фоновых значений и практически полному снижению угнетения роста растений. Это означает, что применение абсорбента на базе модифицированного сфагнового мохового торфа за короткое время нормализует экологическую ситуацию на месте ликвидации разлива нефти.

Через две недели после начала эксперимента в двух образцах с применением сорбента в пропорции нефть/абсорбент 1:1 и 4:1 с внесением комплексного гранулированного удобрения содержание углеводородов снизилось на 73% и 67% соответственно, а через 6 месяцев — на 94,3% и 94% соответственно (рис. 1). В остальных образцах за аналогичный двухнедельный период этот показатель составлял 15-47%, причем дальнейшее снижение количества углеводородов в образцах без абсорбента затормозилось. Согласно нормам ХМАО, образцы с примене-нием сорбента в пропорции с нефтью 1:1 и 1:4 позволяют принять земли с такими показателями к обороту. Для оценки рекультивации земли с биологической точки зрения был проведен ряд дополнительных исследований о влиянии сорбента на основе модифицированного сфагнового мохового торфа на процесс рекультивации земель.

Рис. 2. Влияние абсорбента на фоне нефтяного загрязнения на токсичность почв в динамике (тест-объект — инфузории Paramecium Caudatum)

*1. Постановление Правительства РФ № 613 от 21.08.00 г. «О неотложных мерах по предупреждению и ликвидации аварийных разливов нефти и нефтепродуктов» (в ред. от 15.04.02 г. за № 240).
2. Приказ МПР № 144 от 2003 г. «О совершенствовании работы в области борьбы с нефтеразливами».
3. Отчет по результатам исследования кафедрой промышленной экологии ФХТЭ РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина «Изучение влияния торфяного абсорбента на очистку почвы от нефтяного загрязнения».— М., 2008 г.
4. ГН 2.1.5.1315-03 «О ПДК химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования» от 04.03.98 г. (с изменениями от 15.06.03 г.).

Исследование токсичности почвы

На ранних сроках проведения эксперимента токсичность почв достигала высокого уровня. Через 3 месяца во всех образцах, где был применен модифицированный сфагновый моховой сорбент, уровень токсичности приблизился к нулевым показателям (рис. 2).

Активность микробиоценоза почв

Угнетение микробиоценоза почвы наблюдалось на протяжении всего эксперимента во всех образцах. Исключением является образец, где доза абсорбента максимальная (пропорция с нефтью 1:1). Образцы, в которых пропорциональное соотношение нефти и абсорбента составляло 4:1, 2:1 и 4:1 с применением удобрения, можно рассматривать как благополучные на завершающем этапе эксперимента, где угнетение незначительно превышает допустимое значение в 30% (рис. 3).

Рис. 3. Влияние абсорбента на фоне нефтяного загрязнения на активность микробиоценоза почв в динамике

Фитоценотические показатели

Изучение фитоценотических показателей злаковых растений выявило токсичность почвы всех экспериментальных образцов. Менее выражена токсичность почвы в образцах с применением абсорбента. У всех растений, участвовавших в эксперименте (пшеница, овес, редис и трава для откосов), резко выражено угнетение корневой системы из-за токсичности почвы. Наиболее чувствительными к нефтяному загрязнению оказались семена пшеницы. Надземная часть растений также угнетена. По мере увеличения количества абсорбента в загрязненной земле (пропорциональное соотношение с нефтью 2:1 и 1:1) угнетение несколько снижалось. Самые хорошие показатели (рис. 4) по результатам комплексных исследований были отмечены у двух образцов: первый — с умеренной дозой абсорбента на базе модифицированного сфагнового мохового торфа (соотношение с нефтью 4:1) на фоне удобрения; второй — с максимальной дозой этого же абсорбента (пропорция с нефтью 1:1). В результате проведенных биологических исследований выявлено, что, несмотря на снижение уровня углеводородов в нефтезагрязненной почве без применения абсорбента, полноценная жизнедеятельность растений не обеспечивается.

Рис. 4. Фитоценотические показатели травы для откосов (продолжительность выращивания — 30 суток)

С целью определения эффективности рекультивации земель с помощью абсорбента проводились исследования на возможность биоразложения нефтяных загрязнений и бурового шлама. Результаты показали, что количество нефтепродуктов в опытных образцах снизилось на 78%. В дальнейшем уровень нефтепродуктов в опытных образцах продолжал снижаться и через 100 дней приблизился к предельно допустимым концентрациям (см. таблицу).

Табл. 1. Оценка показателей содержания буровых отходов до и после применения абсорбента

* ОДКнп (отдельно допустимая концентрация нефтепродуктов в отдельно взятом субъекте Федерации) = 1000 мг/кг.

Высокие показатели очистки нефтезагрязненных земель и водоемов при помощи сорбента на основе модифицированного сфагнового мохового торфа послужили основанием для ввода его в стандартную процедуру рекультивации почв и водоемов от нефти/нефтепродуктов и буровых шламов рядом с крупнейшими предприятиями. Примером может служить применение абсорбента на нефтезагрязненных землях одного из предприятий в ХМАО (см. фото). Перед применением абсорбента содержание нефтепродукта в почвогрунте составляло 28%. Через 45 дней после внесения сорбента содержание нефтепродукта уменьшилось на 20% и составило 5,8%, что меньше ПДК для ХМАО (6%).

Рекультивацию земель можно считать завершенной после создания густого и устойчивого травостоя, при этом концентрация остаточных нефтепродуктов со значениями коэффициента окисления нефти более 90% не должна превышать в среднем по участку 8,0% в органогенных и 1,5% в минеральных и смешанных грунтах.

Рассмотрение всего эксперимента в динамике развития позволяет сделать вывод о том, что рекультивация почв, загрязненных нефтью, происходит быстрее и эффективнее с применением биоразлагающих сорбентов. Кроме того, биоразлагающие сорбенты оказывают положительное воздействие на развитие растений на нефтезагрязненных землях. Особенно хорошо зарекомендовал себя сорбент на основе модифицированного сфагнового мохового торфа.

Сорбент помогает нормализовать экологическую ситуацию на месте аварийного разлива нефти, причем как на почве, так и на воде. Его достаточно рассыпать на месте разлива нефтепродуктов и оставить на некоторое время. Он ускоряет процессы рекультивации нефтезагрязненных земель и водоемов, очистки почвы от буровых отходов, его применение оправданно не только с экономической, но и экологической точек зрения, что подтверждено экспериментами.

Полная или частичная перепечатка материалов - только с письменного разрешения редакции!

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

1. Экотоксикологическая характеристика компонентов нефти

2. Естественное восстановление плодородия

3. Методы рекультивации нефтезагрязненных почв

3.1 Механические методы

3.2 Физико-химические методы

3.3 Биологические методы

3.4 Агротехнические методы

3.5 Фитомелиоративные методы

Библиографический список

Введение

Интенсивно протекающие процессы добычи нефти приводят к увеличению масштабов загрязнения земель. Углеводороды являются одним из опаснейших, быстро распространяющихся и медленно деградирующих в естественных условиях загрязнителей. В общем объеме источников загрязнения природной среды на первое место выходят прорывы нефтяных транспортных систем. Сейчас в эксплуатации находится около 350 тыс. трубопроводов с неудовлетворительным состоянием, на которых ежегодно происходит до 24 000 прорывов, «свищей» и других некатегорированных аварий. Так, потери нефти составляют примерно 3 % ее годовой добычи.

По данным экспертов голландской независимой консалдинговой компании IWACO, в настоящее время в Западной Сибири нефтью загрязнено от 700 до 840 тыс. га земель, что составляет более чем семь территорий города Москвы. В Ханты-Мансийском национальном округе ежегодно на землю выливается до 2 млн. т. нефти (Иларионов С. А., 2004). Экологическая опасность предприятий заключается в большом количестве неорганизованных источников выбросов. Отрасль насчитывает 2064 источника загрязнения, в том числе 834 организованных. В Пермском крае основными предприятиями-загрязнителями среды являются: ОАО «ЛУКойл - Пермнефть», ЗАО «ЛУКойл - Пермь» (Ф. М. Кузнецов, 2003). Интенсивность процессов естественного самоочищения природных объектов от нефтяного загрязнения зависит от природных условий региона, наличия влаги, тепла и активности жизнедеятельности почвенного биоценоза. В связи с постоянно увеличивающимися объемами используемых человеком территорий, ростом техногенных ландшафтов, отрицательно влияющих на экологическую обстановку окружающих участков, восстановление земель, подвергшихся разрушающему воздействию, является наиболее актуальной проблемой. Широкое распространение получило такое направление ее решения, как рекультивация.

Рекультивация -- это комплекс работ, направленный на восстановление продуктивности нарушенных земель, а также на улучшение условий окружающей среды.

К сожалению, до настоящего времени не существует достаточно фундаментального научного обоснования рекультивации нефтезагрязненных земель. Поэтому ликвидация последствий нефтяных разливов в большинстве случаев проводится совершенно неприемлимыми устаревшими методами - выжиганием нефтезагрязненной земли, землеванием песком, транспортировкой зягрязненной земли в отвалы, что способствует вторичному загрязнению окружающей среды (Кузнецов Ф. М.,2003).

Цель данной работы: изучение рекультивации нефтезагрязненных почв.

1. Изучить экотоксикологическую характеристику компонентов нефти;

2. Рассмотреть процесс естественного восстановления плодородия почв;

3. Рассмотреть иоценить используемые методы для рекультивации нефтезагрязненных почв.

1. Экотоксикологическая характеристика компонентов нефти

Нефть - это жидкий природный раствор, состоящий из большого числа углеводородов разнообразного строения и высокомолекулярных смолисто-асфальтеновых веществ. В нем растворено некоторое количество воды, солей, микроэлементов. Нефти всех месторождений мира отличает, с одной стороны, огромное разнообразие видов (нет двух совершенно тождественных нефтей из разных пластовых залежей), с другой - единство ее состава и структуры, сходство по некоторым параметрам. Элементный состав десятков тысяч разнообразных индивидуальных представителей нефти во всем мире изменяется в пределах 3 - 4 % по каждому элементу. Главные нефтеобразующие элементы: углерод (83 - 87 %), водород (12 - 14 %), азот, сера, кислород (1 - 2 %, реже 3 - 6 %за счет серы). Десятые и сотые доли процента нефти составляют многочисленные микроэлементы, набор которых в любой нефти примерно одинаков (Пиковский Ю. И., 1988).

Легкая фракция нефти с температурой кипения ниже 200 С состоит из низкомолекулярных алканов, циклопарафинов (нафтенов) и ароматических углеводородов. Основу этой фракции составляют алканы с числом углеродных атомов С5--С11. В среднюю фракцию с температурой кипения выше 200 С входят алканы с числом углеродных атомов С12--С20 (твердые парафины), циклические углеводороды (циклоалканы и арены). Тяжелая фракция нефти представлена высокомолекулярньтми гетероатомными компонентами нефти -- смолами и асфальтенами (Иларионов С.А., 2004).

Легкая фракция, куда входят наиболее простые по строению низкомолекулярные метановые (алканы), нафтеновые (циклопарафиновые) и ароматические углеводороды, - наиболее подвижная часть нефти.

Компоненты легкой фракции, находясь в почвах, водной или воздушной средах оказывают наркотическое и токсическое действие на живые организмы. Особенно быстро действуют нормальные алканы с короткой углеродной цепью, содержащиеся в основном в легких фракциях нефти. Эти углеводороды лучше растворимы в воде, легко проникают в клетки организмов через мембраны, дезорганизуют цитоплазменные мембраны организма. Большинством микроорганизмов нормальные алканы, содержащие в цепочке менее 9 атомов углерода, не ассимилируются, хотя и могут быть окислены. Токсичность нормальных алканов ослабляется в присутствии нетоксичного углеводорода, который уменьшает общую растворимость алканов. Вследствие летучести и более высокой растворимости низкомолекулярных нормальных алканов их действие обычно не бывает долговременным. Если их концентрация не была летальной для организма, то со временем нормальная жизнедеятельность организма восстанавливается (при отсутствии других токсинов).

Многие исследователи отмечают сильное токсическое действие легкой фракции на микробные сообщества и почвенных животных. Легкая фракция мигрирует по почвенному профилю и водоносным горизонтам, расширяя, иногда значительно, ареал первоначального загрязнения. На поверхности эта фракция в первую очередь подвергается физико-химическим процессам разложения, входящие в ее состав углеводороды наиболее быстро перерабатываются микроорганизмами. Значительная часть легкой фракции нефти разлагается и улетучивается еще на поверхности почвы или смывается водными потоками.

Компоненты средней фракции, с числом углеродных атомов С12--С20, практически нерастворимы в воде. Их токсичность выражена гораздо слабее, чем у более низкомолекулярных структур.

Содержание твердых метановых углеводородов (парафина) в нефти (от очень малых величин до 15 - 20 %) - важная характеристика при изучении нефтяных разливов на почвах. Твердый парафин нетоксичен для живых организмов, но вследствие высоких температур застывания (+18 о С и выше) и растворимости в нефти (+40 о С) в условиях земной поверхности он переходит в твердое состояние, лишая нефть подвижности. Твердые парафины, выделенные из нефти и очищенные, с успехом используются в медицине.

Твердый парафин очень трудно разрушается, с трудом окисляется на воздухе. Он надолго может «запечатать» все поры почвенного покрова, лишив почву свободного влагообмена и дыхания. Это в первую очередь приводит к полной деградации биоценоза.

К циклическим углеводородам в составе нефти относятся нафтеновые (циклоалканы) и ароматические (арены). Общее содержание нафтеновых углеводородов в нефти изменяется от 35 до 60 %.

О токсичности нафтеновых сведений почти не имеется. Вместе с тем имеются данные о нафтенах как стимулирующих веществах при действии на живой организм. Примером может служить лечебная нефть.

Циклические углеводороды с насыщенными связями окисляются очень трудно. Биодеградацию циклоалканов затрудняют их малая растворимость и отсутствие функциональных групп.

Основные продукты окисления нафтеновых углеводородов - кислоты и оксикислоты. В ходе процесса уплотнения кислых продуктов частично могут образовываться продукты окислительной конденсации - вторичные смолы незначительное количество асфальтенов.

Ароматические углеводороды (арены) имеют большое значение в экологической геохимии. К этому классу можно отнести как собственно ароматические структуры, так и «гибридные» структуры, состоящие из ароматических и нафтеновых колец.

Содержание ароматических углеводородов в нефти изменяется от5 до 55%, чаще всего от 20 до 40 %. Полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), т. е. углеводороды, состоящие из двух и более ароматических колец, содержатся в нефти в количестве от 1 до 4 %. Как и нафтенах, в этих молекулах вместо атома водорода в одном или нескольких радикалах присоединена алкановая цепочка, что позволяет рассматривать эти молекулы как замещенные гомологи соответствующих голоядерных углеводородов. В нефти наиболее распространены гомологи нафталина, всегда имеются также гомологи фенантренов, бензфлуоренов, хризанов, пирена, 3,4-бензпирена и др. Незамещенные ароматические углеводороды в сырой нефти встречаются редко и в незначительных количествах.

Среди голоядерных ПАУ большое внимание обычно уделяется 3,4-бензпирену как наиболее распространенному представителю канцерогенных веществ. Данные о содержании 3,4-бензпирена в нефти всегда неоднозначны.

Ароматические углеводороды - наиболее токсичные компоненты нефти. В концентрации всего 1 % в воде они убивают все водные растения; нефть, содержащая 38 % ароматических углеводородов, значительно угнетает рост высших растений. С увеличением ароматичности нефтей увеличивается их гербицидная активность. Моноядерные углеводороды - бензол и его гомологи - оказывают более быстрое токсическое воздействие на организмы, чем ПАУ. ПАУ медленнее проникают через мембраны, действуют более длительное время, являясь хроническими токсикантами.

Ароматические углеводороды трудно поддаются разрушению. Наиболее устойчивы к окислению голоядерные структуры, в частности 3,4-бензпирен, при обычных температурах окружающей среды они практически не окисляются. Содержание всех групп ПАУ при трансформации нефти в почве постепенно снижается.

Смолы и асфальтены относятся к высокомолекулярным неуглеводородным компонентам нефти. В составе нефти они играют исключительно важную роль, определяя во многом ее физические свойства и химическую активность. Смолы - вязкие мазеподобные вещества, асфальтены - твердые вещества, нерастворимые в низкомолекулярных углеводородах. Смолы и асфальтены содержат основную часть микроэлементов нефти. С экологических позиций микроэлементы нефти можно разделить на две группы: нетоксичные и токсичные. Микроэлементы в случае повышенных концентраций могут оказывать токсическое воздействие на биоценоз. Среди токсичных металлов, концентрирующихся в смолах и асфальтенах, наиболее распространенные ванадий и никель. Соединения никеля и особенно ванадия в повышенных концентрациях действуют как разнообразные яды, угнетая ферментативную активность, поражая органы дыхания, кровообращения, нервную систему, кожу человека и животных. Достаточных данных о токсичности органической части смол и асфальтенов не имеется. Высокая канцерогенность появляется только в высокотемпературных продуктах пиролиза, коксования и крекинга. В продуктах, получаемых в процессах каталитического гидрирования, канцерогенность резко снижается и исчезает.

Вредное экологическое влияние смолисто-асфальтеновых компонентов на почвенные экосистемы заключается не в химической токсичности, а в значительном изменении водно-физических свойств почв. Если нефть просачивается сверху, ее смолисто-асфальтеновые компоненты сорбируются в основном в верхнем, гумусовом горизонте, иногда прочно цементируя его. При этом уменьшается поровое пространство почв. Смолисто-асфальтеновые компоненты гидрофобны. Обволакивая корни растений, они резко ухудшают поступление к ним влаги, в результате чего растения засыхают.

Из различных соединений серы в нефти наиболее часто обнаруживаются сероводород, меркаптаны, сульфиды, дисульфиды, тиофены, тиофаны, свободная сера.

Сернистые соединения оказывают вредное влияние на живые организмы. Особенно сильным токсическим действием обладают сероводород и меркаптаны. Сероводород вызывает отравление и летальный исход у животных и человека при высоких концентрациях (Пиковский Ю. И., 1988).

В биогеохимическом воздействии нефти на экосистемы участвует множество углеводородных и неуглеводородных компонентов, в том числе минеральные соли и микроэлементы. Токсичные действия одних компонентов могут быть нейтрализованы присутствием других, поэтому токсичность нефти не определяется токсичностью отдельных соединений, входящих в ее состав. Необходимо оценивать последствия влияния комплекса соединений в целом. При нефтяном загрязнении тесно взаимодействуют три группы экологических факторов:

· Сложность, уникальная поликомпонентность состава нефти, находящегося в процессе постоянного изменения;

· Сложность, гетерогенность состава и структуры любой экосистемы, находящейся в процессе постоянного развития и изменения;

· Многообразие и изменчивость внешних факторов, под воздействием которых находится экосистема: температура, давление, влажность, состояние атмосферы, гидросферы и т. д.

Вполне очевидно, что оценивать последствия загрязнения экосистем нефтью и намечать пути ликвидации этих последствий необходимо с учетом конкретного сочетания этих трех групп факторов (Кузнецов Ф. М., 2003).

2. Естественное восстановление плодородия

Н.М. Исмаилов и Ю.И. Пиковский (1988) определяют самовосстановление и самоочищение почвенных экосистем, загрязненных нефтью и нефтепродуктами, как стадийный биогеохимический процесс трансформации загрязняющих веществ, сопряженный со стадийным процессом восстановления биоценоза. Для разных природных зон длительность отдельных стадий этих процессов различна, что связано в основном с природно-климатическими условиями. Важную роль играют также состав нефти, наличие сопутствующих солей и начальная концентрация загрязняющих веществ. Большинство исследователей выделяет в процессе самоочищения нефтезагрязненных почв три этапа: на первом происходят главным образом физико-химические процессы трансформации углеводородов нефти; на втором этапе они подвергаются активному процессу деградации под воздействием микроорганизмов; третий этап определяют как фитомелиоративный. Все нефтезагрязненные почвы проходят указанные этапы самовосстановления, хотя длительность отдельных этапов различна в зависимости от почвенно-климатической зоны.

Исследования нефтезагрязненных почв, проведенные Институтом экологии и генетики микроорганизмов УрО РАН в различных ландшафтно-географических зонах, также свидетельствуют о том, что процесс их самоочищения является многостадийным и занимает от одного до нескольких десятилетий (Оборин А. А., 1988).

Первый этап процесса самоочищения почвы от нефти и нефтепродуктов длится примерно 1--1,5 года. На данном этапе нефть испытывает в основном физико-химические превращения, включающие распределение нефтяных углеводородов по почвенному профилю, их испарение и вымывание, изменение под действием ультрафиолетового облучения и некоторые другие.

Наибольшему физико-химическому воздействию подвергаются углеводороды нефти, попавшие в водоемы. В почве физико-химические процессы происходят значительно медленнее. По данным А.А. Оборина с соавт. (1988), в течение первых трех месяцев инкубации в почве остается не более 20 % нефти. Наиболее интенсивному воздействию подвергаются н-алканы с длиной цепи до С 16 , которые практически полностью исчезают к концу первого года инкубации нефти в почве. В результате первичного окисления в составе нефти появляются алифатические и ароматические, простые и сложные эфиры, а также карбонильные соединения типа кетонов, о чем свидетельствуют данные инфракрасной спектрометрии. Геохимические исследования остаточной нефти со сроком инкубации 1--3 месяца показали, что трансформация углеводородов, за исключением н-алканов С 12 --С 16 , не носит деструктивного характера, но окисленные продукты оказываются более подверженными минерализации микробиологическим путем.

При попадании углеводородов нефти в почву или воду происходит изменение их физико-химических свойств и, как следствие этого, нарушение естественных процессов развития живых организмов, обитающих в этих средах. Микробиологические исследования показали, что в первые дни после попадания нефти в почву почвенная биота значительно подавлена. В этот период почвенный биоценоз стремится адаптироваться к изменившимся, условиям среды. Однако после трех месяцев инкубации микробиологические процессы преобразовании нефти в почве становятся доминирующими, хотя доля химического окисления остается высокой и может достигать 50 % от всей совокупности окислительных процессов.

Второй этап процесса самоочищения длится 3 -- 4 года. К этому времени количество остаточной нефти в почве снижается до 8--10 % от исходного уровня. Этот период характеризуется возросшим количеством углеводородов метано-нафтеновой фракции и снижением доли нафтено-ароматических углеводородов и смол. Указанные изменения могут быть объяснены процессами частичной микробиологической деструкции сложных молекул смолисто-асфальтенового ряда, а также образованием новых алифатических соединений за счет перестройки моно- и бициклических соединений нафтено-ароматического ряда.

Второй этап деградации нефти в почве характеризуется главным образом микробиологическими процессами трансформации углеводородов. Особенностью второго этапа деградации нефти является разрушение ароматических С--С связей. К концу второго года инкубации происходит относительное увеличение доли ароматических углеводородов в составе хлороформенных экстрактов остаточной нефти, которое сопровождается изменением их состава: полностью исчезают моно- и бициклические углеводороды. После завершения первого периода разложения нефти в почве остается еще значительная фракция резистентных компонентов, в которой присутствуют наиболее устойчивые представители почти всех классов углеводородов нефти. Среди них преобладают полициклические ароматические углеводороды, стераны и тритерпаны, трициклические терпаны. Эти соединения являются индикаторами состояния нефти на ранней стадии второго этапа загрязнения. Однако главными компонентами остаточной нефти в почве являются полярные вещества -- смолы и асфальтены. Они сохраняются в почве в течение многих лет либо в виде подвижной фракции, либо в составе гумусового комплекса почвы. Для изучения процессов трансформации органического вещества и внесенных в почву углеводородов нефти, несомненно, одним из лучших методов следует считать метод радиоизотопного анализа.

Интенсивность разложения нефти в почве оценивают в основном по следующим показателям: количеству остаточного содержания углеводородов, скорости выделения микроорганизмами С0 2 , численности микроорганизмов-деструкторов углеводородов нефти и ферментативной активности почвы. На втором этапе в почвах зарегистрирована вспышка численности микроорганизмов, увеличение количества грибов, спорообразующих и неспоровых бактерий. Источником питания этих групп микроорганизмов являются метано-нафтеновые и ароматические углеводороды, причем активность и разнообразие состава микрофлоры стимулируются удлинением цепи алканов (Колесникова Н.М., 1990;). Второй этап процесса самоочищения нефтезагрязненных почв можно назвать соокислительным, т. е. органические соединения подвергаются тем или иным превращениям под воздействием микроорганизмов только при наличии в среде другого органического соединения (Скрябин Г. К., 1976).

Время начала третьего этапаопределяется по исчезновению в остаточной нефти исходных и вторично образованных парафиновых углеводородов. Под термином "вторично образованные углеводороды" подразумеваются структуры гомологического ряда метана, возникшие в процессе деградации более сложных соединений нефти. Третий этап в зоне южной тайги начинается через 58--62 мес. после внесения нефти в почву. Люминесцентно-битуминологические исследования, проведенные на шестой год инкубации нефти в почве, показали, что загрязненные дерново-подзолистые почвы отличаются от фоновых повышенным содержанием органических веществ, растворимых в хлороформе. Низкие фоновые показатели позволяют не учитывать исходную органику почв в составе выделенных битумоидов и классифицировать их как гумифицированные разновидности нефтяных углеводородов. По структурно-групповому составу выделенные битумоиды резко отличаются от исходной нефти низким содержанием метано-нафтеновой фракции и высоким -- смолистой. Существует гипотеза, что за счет биодеградации нефти микроорганизмы продуцируют углеводороды различного молекулярного веса и химической структуры.

Особое место в процессе деградации нефти занимают полициклические ароматические углеводороды, обладающие канцерогенным действием на живые организмы. Контроль за канцерогенностью почвы ведут по наличию в ней 3,4-бензпирена, который является одним из наиболее известных сильных канцерогенов. Сложность трансформации полициклических ароматических углеводородов объясняется их стойкостью к микробиологическому воздействию, особенно в неблагоприятных климатических условиях, а это способствует накоплению 3,4-бензпирена в нефтезагрязненных почвах. Помимо длительной аккумуляции, для него характерны и большие площади рассеивания в результате сжигания горючих полезных ископаемых. Как показали исследования такого промышленно развитого района, как Западный Урал, в результате этого границы фонового содержания 3,4-бензпирена смещаются к Северному полярному кругу.

Геоботанические описания площадок в зоне южной тайги с 15- и 25-летней инкубацией нефти в почве свидетельствуют об устойчивых изменениях в сформировавшихся после нефтяного разлива фитоценозах. Сильное нефтяное загрязнение приводит к полному выпадению травянистого покрова и древостоя, что подтверждается наличием сухостоя и гнило-сухих поваленных деревьев. Растительность на площадке с 15-летним сроком инкубации представлена кипреем узколистным, веиником наземным, хвощом полевым. Только к 25 годам на загрязненной площадке формируется разнотравно-злаковое сообщество.

Сроки естественного восстановления нефтезагрязненных почв значительно увеличиваются при сжигании пролитой нефти; на сожженных площадках обнаружено наличие канцерогенных веществ, образовавшихся при пиролитических процессах. Даже через 20 лет концентрация полициклических ароматических углеводородов на поверхности почвы превышает фоновый уровень (Иларионов С.А., 2004).

Итак, механизмы естественного очищения почвенных экосистем от нефти имеют этапный характер. Каждому из выделенных этапов соответствуют определенное количество и структурные особенности остаточной нефти, что обусловливает конкретную биогеохимическую обстановку в изучаемой системе. Самой природой подсказан биологический путь восстановления природных объектов, загрязненных углеводородами нефти; правда, в естественных условиях он протекает достаточно долго и зависит от климатических условий, вида почвы и тяжести загрязнения (Бирюков В., 1996).

Скорости восстановления компонентов экосистемы нефтезагрязненнных почв значительно ниже скорости трансформации самой нефти в почве. Наблюдается замкнутый по времени эффект последействия. Длительность естественного восстановления нарушенных почвенных экосистем объясняется тем, что действие такого гетерогенного фактора, как нефть, не может быть однозначным. Оно распространяется на все компоненты подвергнувшейся загрязнению окружающей среды.

Полученная информация по исследованию процессов естественного очищения почв от нефтяного загрязнения необходима для совершенствования методов, применяемых при мониторинге нефтезагрязненных почвенного экосистем. Механизм естественного очищения почвенных экосистем имеет этапный характер. Каждому из выделенных этапов соответствуют определенные количества и структурные особенности нефти, что определяет конкретную биогеохимическую обстановку в изучаемой системе. Скорости восстановления отдельных биокомпонентов нефтезагрязненных почв значительно ниже скорости трансформации самой нефти в почве. Наблюдается замкнутый по времени эффект последействия. Длительность естественного восстановления нарушенных почвенных экосистем объясняется тем, что действие такого антропогенного фактора, как нефть, не может быть однозначным, оно определенным образом распространяется на всю изучаемую систему (Иларионов С.А., 2004).

3. Методы рекультивации нефтезагрязненных почв

Под рекультивацией понимается комплекс мер, направленных на восстановление природных объектов, нарушенных в результате природнохозяйственной деятельности человека. Процесс удаления разлитой нефти и нефтепродуктов требует довольно сложной технологии как при подготовке загрязненного участка к рекультивации, так и при проведении самого процесса (Кузнецов Ф. М., 2003).

До недавнего времени, а порой и сейчас, многие предприятия, где не уделяют должного внимания вопросам борьбы с нефтяными загрязнениями, очистку почвы от нефти и нефтепродуктов проводят двумя методами -- сжиганием нефтяного пятна и землеванием (пескованием). Как первый, так и второй метод приводят к длительному вторичному загрязнению окружающей среды. На участках выжигания пролитой нефти даже через 4 - 6 лет общее проективное покрытие растениями редко превышает 5 - 10 % площади. Зарастание такого рода техногенных экотопов начинается по трещинам образовавшейся на поверхности почвы плотной битуминозной корки (Иларионов, 2004).

Метод ликвидации аварий сжиганием широко распространен на нефтепромыслах Западной Сибири, однако сроки естественного восстановления нефтезагрязненных почв при этом значительно увеличиваются. Обследование таких участков через 7 лет после сжигания аварийного разлива нефти показало повышенное содержание канцерогенных веществ, образовавшихся при пиролитических процессах; концентрация полиароматических углеводородов была почти в 3 раза выше, чем в свежезагрязненных образцах торфа. На участках, где до разлива произрастал низкорослый заболоченный лес, растительность практически отсутствовала, и через 7 лет зарастаемость не превышала 20 %. Фитоценоз был представлен пушицей, осокой, сусаком, на обваловке росли иван-чай и камыш озерный; древесная растительность отсутствовала. Следовательно, при сжигании нефтяного пятна не только увеличивается токсичность почв, но и затормаживается восстановление практически всех изученных блоков экосистемы (Шилова И. И., 1978).

При рекультивации почв применяют следующие методы:

Механические;

Физико-химические;

Агротехнические;

Микробиологические;

Фитомелиоративные.

3.1 Механические методы

Механическая очистка предусматривает сбор нефти и нефтепродуктов либо вручную, либо с помощью обычных, а также специальных машин и механизмов. Как правило, на первом этапе данного способа очистки производят локализацию пролитой нефти путем создания вокруг разлива с помощью бульдозера земляного вала около 1 м высотой. После этого, если позволяют местные условия, рядом с местом разлива нефти оборудуют котлован-отстойник, который устилают нефтенепроницаемой пленкой. Затем из места локализации нефть перекачивают в котлован (который, как правило, обустраивают ниже уровня места разлива), а из него ее отправляют на товарный склад для дальнейшей переработки. Согласно А. И. Булатову с соавт. (1997), степень механической очистки может достигать 80 %.

Для отделения нефти от загрязненной почвы могут быть использованы центрифуги, которые применяют для очистки буровых растворов от выбуренного шлама. В нашей стране для этих целей используют центрифуги ОГШ-132 и ОГШ-502 с частотой вращения ротора 600 и 2560 об/мин соответственно. Производительность центрифуги ОГШ-132 составляет 100 - 200 м 3 /ч. Этот способ позволяет производить экологически чистый сбор твердых отходов (Кузнецов Ф. М., 2003).

Одним из способов рекультивации почвы при ремонтно-восстановительных работах на нефтепроводе заключается в том, чтобы механически не допустить загрязнения плодородного слоя почвы. С этой целью перед началом вскрытия трассы его срезают на глубину 20 - 30 см и транспортируют бульдозерами в бурты временного хранения. После проведения ремонтно-восстановительных работ срезанная плодородная часть почвы возвращается на прежнее место (Светлов, 1996).

3.2 Физико-химические методы

Физико-химические методы применяются для очистки от нефти как самостоятельно, так и в сочетании с другими способами. Широко используются сорбционные методы. В качестве сорбентов применяют природные и синтетические адсорбционные материалы органической и неорганической природы. Для сорбции нефти и нефтепродуктов могут применяться такие вещества, как торф, торфяной мох, бурый уголь, кокс, рисовая шелуха, кукурузная лузга, древесный опил, диатомовая земля, солома, сено, песок, резиновая крошка, активированный уголь, перлит, пемза, лигнин, тальк, снег (лед), меловой порошок, отходы текстильной промышленности, вермикулит, изопреновый каучук и некоторые другие материалы. Особый практический интерес представляют сорбенты растительного происхождения (торф, опилки, ДВП и другие) ввиду их невысокой стоимости и значительного объема запасов. Сорбционная способность гранулированного торфа составляет 1,3 - 1,7 г/г, степень очистки - 60 - 88 %. Для удаления нефтепродуктов с водной поверхности применяют соцветия тростника. Их сорбционная способность изменяется от 11 до г нефти на 1 г тростниковых соцветий (Кузнецов Ф. М., 2003).

В качестве сорбентов используют также разнообразные отходы промышленных предприятий, которые весьма эффективны при сборе нефти с поверхности воды и почвы. Они имеют низкую стоимость и высокую нефтепоглощающую способность.

Существуют различные способы очистки загрязненного нефтепродуктами грунта с использованием сорбционных материалов. Например, если в качестве адсорбента используют гидрофобизованные нефтепродуктами опилки, то методика очистки заключается в следующем: опилки смешивают с нефтезагрязненной почвой, затем в данную смесь подают воду и все перемешивают, опилки после данной процедуры всплывают и их удаляют с поверхности воды. При этом очистка грунта достигает 97 - 98 %. В качестве гидрофобизатора используется отработанное техническое масло (Абрашин Ю. Ф., 1992).

Для сбора пролитого масла или маслообразного продукта можно использовать рыхлую или крупчатую снежную массу: пролитое масло покрывают слоем снежной массы высотой 2 - 3 см, слегка его утрамбовывают, чтобы улучшить ее контакт с маслом, дают снежной массе некоторое время для пропитки маслом, после чего ее перемешивают. Обработку масла указанным способом ведут до тех пор, пока большая часть снежной массы не пропитается маслом, затем ее собирают в отдельную емкость, нагревают и отделяют выделившийся слой масла (Грибанов Г. А., 1990).

Наиболее широкое применение на практике получили торф и различные его модификации, древесный опил, перлит и различные марки активированного угля. Отечественная промышленность производит следующие марки активированных углей: БАУ, КАД-йодный, СКТ, АГ-3, МД, АСГ-4, АДБ, БКЗ, АР-3, АГН, АГ-5, АЛ-3 и некоторые другие, которые можно применять для очистки объектов окружающей среды от нефти и нефтепродуктов.

Торф -- природное образование органической природы, возникшее в результате отмирания и неполного разложения болотной растительности в условиях повышенной влажности и недостатка кислорода. Это многокомпонентная система, содержащая как органические, так и минеральные вещества. В органическую часть входят битумы, извлекаемые из торфа различными органическими растворителями, они хорошо растворяются в воде и легко гидролизуются. Кроме того, в состав торфа входят гуминовые и фульвокислоты, хорошо растворимые в щелочах и кислотах соответственно, а также трудно поддающийся микробному разложению лигнин. Исследования хлороформенных экстрактов торфа, отобранного в районе Западно-Сургутского месторождения ОАО "Сургутнефтегаз", показали, что его органическая часть представляет систему, включающую различные структурно-групповые фракции: доля метанонафтеновых углеводородов составляет 29,2 %, нафтеноароматических -- 20,8 %, смол -- 28,5 %, асфальтенов -- 21,5 %. Сложная природа органического вещества торфа, его химический состав предопределяют его замечательное свойство -- сорбционную способность. Использование торфа в качестве сорбента техногенных выбросов обусловлена его микроструктурой и дисперсностью, пористостью, клетчатой структурой, высокой удельной поверхностью (до 200 м 2 /г). Для выяснения сорбционной специфики торфо-мохо-лишайниковых образований Среднего Приобья была проделана серия лабораторных и полевых экспериментов. В опытах использовалась нефть Западно-Сургутского месторождения. Анализ хлороформенных экстрактов сорбированной нефти свидетельствует о том, что при нагрузке нефти от 20 до 400 мл на 100 г торфа количество поглощенной нефти не превышает 25 % от исходной нагрузки. Расчет показал, что одна весовая часть влажного торфа сорбирует 0,7 весовой части нефти. Нефтепоглощающая способность мха при этой нагрузке составляет две весовые части нефти на одну весовую часть мха. Количественное определение сорбционной емкости воздушно-сухих образцов (Т = 20 °С) показало, что одна весовая часть их способна поглотить до четырех весовых частей нефти. Следовательно, гидрофильность торфа значительно снижает его нефтепоглощающую способность. Для сорбции 1 т нефти требуется около 1,5 т торфа естественной влажности, или 250 кг сухого. Сорбционная емкость торфа может быть увеличена различными приемами: тепловой обработкой, добавкой водоотталкивающих агентов и т. д. (Кузнецов Ф. М., 2003).

В Республике Коми для рекультивации нефтезагрязненных почв используют метод засыпки нефтяного разлива песком и торфом (Братцев А. П., 1988). Однако И. Б. Арчегова с коллегами (1997) против использования торфа для рекультивационных работ в условиях Крайнего Севера, так как считает, что разработки торфа на Севере нанесут дополнительный ущерб природе. Сорбция полициклических ароматических углеводородов типа 3,4-бензпирена была подтверждена полевыми исследованиями. При полной нефтенасыщенности торфа концентрация 3,4-бензпирена в нем может достигать 8,5--9 тыс. мкг/кг образца. Если учесть, что исходная нефть содержит порядка 16 тыс. мкг 3,4-бензпирена на 1 кг нефти, то о торфе можно говорить как о наиболее дешевом и эффективном материале, способном сорбировать канцерогенные вещества.

Для восстановления плодородия почв, загрязненных нефтепродуктами, и изменения направленности почвообразовательного процесса в сторону их окультуривания предлагается после бурения скважин обрабатывать почву и грунт комплексными реагентами, включающими высокоактивные дисперсные адсорбенты. Для детоксикации слабозагрязненных почв использовалась композиция следующего состава: клиноптилоллит из расчета 80--100 т/га, диспергированный мел -- 2,5 т/га, аммиачная селитра -- 0,01--0,02 т/га. Отдельно растворенный силикон (0,005--0,01 т/га) добавляется к подготовленной смеси, и все компоненты перемешиваются 8--10 мин. Приготовленную композицию вносили в загрязненные почвы на глубину 20--25 см из специально установленных навесных бачков с последующей заделкой ротационной бороной БИГ-3.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что обработка загрязненных нефтью почв предлагаемой композиции приводит к изменению дисперсности с образованием дополнительного кристаллического каркаса, что сопровождается изменением структурно-механических, адсорбционных свойств почв в широком диапазоне. Токсичность загрязненных почв, составлявшая до обработки 35 %, уменьшилась до 17 %. Это свидетельствует об интенсификации процессов сорбции нефтепродуктов, что влияет на изменение структурного типа почвы и улучшает ее агрономические свойства. После обработки почв содержание тяжелых фракций нефти составляет 0,3 %, что соответствует слабой степени загрязненности; интенсивно восстанавливается водный режим, о чем свидетельствуют содержание микрореагентов и изменение фильтрационной способности. Создаются нормальные условия для питания растений, и это обеспечивает их выживаемость до 95 %.(Иларионов С. А., 2004).

Одно из самых основных свойств, которым должен обладать сорбент, применяемый для очистки нефтезагрязненных объектов, -- его гидрофобность. Такие свойства присущи, например, древесному углю и пиролитическим отходам целлюлозно-бумажной промышленности. При пиролизе отходов древесины на лесокомбинате "Балыклес" г. Нефтеюганска производят пиролитический продукт с хорошими сорбционными свойствами в отношении углеводородов нефти. Подобный сорбционный материал, названный "Илокор", -- это продукт пиролиза отходов древесины, полученный по известной технологии и представляющий собой полидисперсный порошок с размерами частиц 0,3--0,7 мм. Его сорбционная емкость составляет 8Д--8,8 г нефти на 1 г сорбента. На основе данного препарата получены две его модификации: "Эколан" и "Илокор-био". Эти сорбенты обладают не только хорошими сорбционными свойствами; их применение способствует быстрому восстановлению любого типа нефтезагрязненных почв. Так, при внесении в нефтезагрязненную почву с нагрузкой нефти 50 л/м 2 препарата "Эколан" в количестве 20 кг/м 2 происходило практически полное восстановление ее плодородия. Для восстановления выщелоченных черноземов потребовалось 3--4 мес, а для серых лесостепных почв -- 7--8 лет. По мнению указанных выше авторов, при внесении в загрязненную почву данного препарата резко снижается токсичность почвы, что происходит, по-видимому, благодаря сорбции легких фракций нефти.

Дешевый и экологически чистый препарат "Эконафт" был разработан фирмой "Инство". Расход этого вещества для обезвреживания нефтемаслоотходов составляет 0,3--1,0 т на 1 т отходов в зависимости от степени загрязнения. После смешения препарата с загрязненной землей или другими нефтемаслоотходами процесс адсорбции завершается через 30 -- 40 мин. При этом утилизируемый материал приобретает вид гранул, прочный наружный слой которых герметизирует адсорбированные жидкие загрязнения и изолирует их тем самым от земли. Полученные гранулы не смачиваются водой, морозоустойчивы и стойки при хранении. Смешанные с землей гранулы могут быть использованы в качестве наполнителя в производстве строительных и дорожных материалов.

Разработаны методы обезвреживания нефти и нефтепродуктов путем их связывания и превращения в твердые образования. При введении в смесь жидких и твердых углеводородов портландцемента образуется состав, который затем подвергают сушке. При этом углеводороды оказываются как бы покрытыми слоем цемента, изолирующим данный состав от соприкосновения с окружающей средой. Далее происходит застывание цемента в виде формы, которая придается смеси на начальном этапе перемешивания (Булатов А. И., 1997).

В другом случае осуществляют смешивание нефти и нефтепродуктов с известковой вяжущей пастой на водной основе. Полученную смесь формируют в блоки удобных для последующей транспортировки или захоронения размеров и выдерживают до затвердения, в результате чего достигается капсулирование экологически вредных веществ в твердой цементирующей массе. Для ускорения процесса отверждения и снижения расхода отвердителя в композиционную смесь добавляют нетоксичную окись хрома, образующуюся при термическом разложении двухромовокислого аммония. Окись хрома, полученная при термическом разложении двухромовокислого аммония, рассыпается по поверхности отверждаемой жидкости. Благодаря сильно развитой структуре поверхности окись хрома поглощает нефть, нефтепродукты и растительные масла (Быков Ю. И., 1991).

. Среди обширного класса сорбентов наиболее эффективными для удаления с поверхности органических загрязнителей являются искусственные сорбенты многоразового пользования с высокоразвитой открытопористой структурой. К таким материалам относится, например, сорбент, созданный на основе карбамидного олигомера, специальным способом вспененного и превращенного в поропласт с высокоразвитой межфазной поверхностью. Он обладает отличными олеофильными свойствами и высокой сорбционной способностью: 1 г такого сорбента может поглощать до 60 г нефти и нефтепродуктов в зависимости от плотности сорбента; скорость сорбирования составляет от нескольких минут до 1--2 ч в зависимости от вязкости нефтепродукта. Сорбент позволяет осуществлять последующее простое извлечение собранного нефтепродукта (до 97%) методом отжима с целью его дальнейшей утилизации.

В Сибирском институте химии нефти СО РАН (г. Томск) разработана технология получения высокоэффективных адсорбентов на основе ультрадисперсных порошков металлов. Данные адсорбенты созданы на основе окиси алюминия и имеют неравновесную кристаллическую структуру, развитую поверхность и способны эффективно и быстро адсорбировать из воды органические вещества, нефтепродукты, тяжелые металлы, радионуклиды, галогены и другие загрязнители. Кроме того, эти адсорбенты обладают способностью коагулировать и осаждать коллоидные частицы железа, неорганических примесей и эмульсии органических веществ и нефтепродуктов в водной среде.

Твердые синтетические полимерные сорбенты (пенополиуретан, различные смолы) состоят из частиц, содержащих открытые поверхностные поры, которые способны удерживать углеводороды, и закрытые внутренние поры, придающие частицам хорошую плавучесть. Такие сорбенты не поглощают воду, но способны поглотить 2--5-кратный объем углеводородов. На некоторых предприятиях США для удаления нефти с поверхности воды используют хлопья полиуретановой пены, которая в дальнейшем собирается и отжимается с помощью специального устройства.

Хорошими сорбционными свойствами обладают такие полимерные материалы, как вспененные полистирольные гранулы или фенолформальдегидная стружка. Одним из лучших материалов в сорбции нефти оказался "пламилод", который представляет собой специально изготовленную пластмассу. Данный материал может впитать в себя до 1 т нефти на 40--130 кг собственного веса (Кагарманов Н. Ф., 1978).

Для очистки нефтезагрязненной почвы используют также поверхностно-активные вещества. Они изменяют поверхностное натяжение нефтяной пленки, что способствует ее диспергированию и лучшему отделению сырой нефти и нефтепродуктов от частиц почвы. В настоящее время для данной цели используют детергенты искусственного и естественного происхождения.

Песчаная почва, загрязненная нефтепродуктами, может быть очищена с помощью подогретой воды, в которую введены поверхностно-активные вещества. Данная операция осуществляется следующим образом. Почву промывают подогретой до 20 -- 100 °С водой, из полученной жидкостной смеси путем отстаивания отделяют нефть и нефтепродукты, песок дополнительно промывают водным раствором, который содержит добавки ПАВ для отделения нефтяной пленки с поверхности частиц. Затем образующуюся водно-нефтяную эмульсию отделяют и обрабатывают деэмульгатором до образования отдельных слоев нефти и воды. После этого слои разделяют и путем отгонки отделяют деэмульгатор, который направляют для повторного использования. При этом степень очистки частиц песка составляет 98,0 - 99,9 %.

В Московском институте эколого-технологических проблем была создана установка для очистки грунта от нефти и нефтепродуктов. Принцип ее действия основан на использовании виброкавитационной экстракции загрязнений, содержащих нефть и нефтепродукты, с последующим разделением пульпы на чистый грунт и извлеченные нефтепродукты. В качестве экстрагентов разработчики предлагают использовать как пресную, так и соленую воду, пар, нефть и различные углеводороды. Установка снабжена специально сконструированным экстрактором, который обладает высокими производительностью и эффективностью, а также оригинальным узлом для последующего отделения грунта от нефти и нефтепродуктов. Масса установки не превышает 55 т, ее производительность составляет 1 т загрязненного грунта в час. Расход воды -- не более 200 кг на 1 т исходного грунта. Остаточная концентрация нефти и нефтепродуктов в грунте после его обработки не превышает 0,05 -- 0,1 % (по массе). В этом же институте созданы растворы комплексных препаратов на основе полиалкиленгуанидинов (ПАГ), которые разделяют водно-нефтяные эмульсии.

Предложен термический способ очистки почвы от легких и средних по молекулярному весу углеводородов, при котором в пробуренную скважину впускают горячую смесь инертного газа и воздуха, затем ее поджигают, а продукты сгорания углеводородов откачивают на поверхность почвы в куполообразное защитное устройство, в котором продукты сгорания обезвреживаются и выбрасываются в атмосферу. Другой термический способ обезвреживания почвы, загрязненной значительным количеством нефтепродуктов, заключается в удалении ее с загрязненного участка и обработке на специальной установке. После предварительного нагрева горячими газами почву пропускают через горелку обрабатывающей установки, где из нее отсасывают в виде паров около 95 % присутствующих в ней углеводородов, которые направляются в отделение конденсации для превращения в жидкий нефтепродукт. Из камеры горения почву перегружают в камеру дожигания, в которой она нагревается до 1200 °С, в результате чего разрушаются оставшиеся в почве токсичные вещества. После завершающей обработки почва становится пригодной для обычного использования (Иларионов С. А., 2003).

Методы поверхностной очистки от нефтяных загрязнений с помощью сорбентов весьма перспективны, так как эти методы просты в осуществлении, экологически безопасны и позволяют в дальнейшем легко утилизировать собранные нефтепродукты.

3.3 Микробиологические методы

Способность окислять углеводороды нефти обнаружена у многочисленных видов бактерий и грибов, принадлежащим к родам: Acinetobacter, Acremonium, Pseudomonas, Bacillus, Mycobacterium, Micrococcus, Achrobacter, Aeromonas, Proteus, Nocardia, Rhodococcus, Serarratia, Spirillium и другие, и грибы - Aspergillus, Candida, Penicillum, Trichoderma, Aureobasidium и некоторые другие. Микроорганизмы, использующие углеводороды нефти, являются главным образом аэробными, т. е. они минерализуют нефтяные углеводороды только в присутствии кислорода воздуха. Окисление углеводородов осуществляется оксигеназами. Промежуточными продуктами при распаде углеводородов являются спирты, альдегиды, жирные кислоты, которые затем окисляются до углекислого газа и воды.

Сразу после загрязнения почвы нефтью и/или нефтепродуктами основную роль играют физико-химические процессы. Их возможно интенсифицировать различными методами. После удаления из почвы наиболее токсичных легких фракций нефти существенную роль в очищении почв начинают играть микроорганизмы (Андерсон Р. К., 1980; Гусев, 1981). Для ускорения процессов микробной деструкции в почве углеводородов нефти в настоящее время применяют главным образом два подхода: стимуляцию аборигенной почвенной углеводородокисляющей микрофлоры и интродукцию в нефтезагрязненную почву угле-водородокисляющих микроорганизмов и их ассоциаций (бактериального препарата) (Иларионов С.А., 1997).

Стимуляция естественной нефтеокисляющей микрофлоры основана на создании в почве оптимальных условий для ее развития, в том числе нейтрализации изменений, вызванных попаданием в почву нефти (Пиковский Ю.И, Исмаилов, 1988). Так, для улучшения водно-воздушного режима нефтезагрязненной почвы рекомендуются ее рыхление, частая вспашка, дискование, добавление композиций, улучшающих промывной режим и порозность загрязненной почвы перемешивание с незагрязненной почвой.

Д.Г. Звягинцев (1987) на основании анализа поведения почвенных микробных популяций пришел к выводу о том, что в самой почве есть достаточное количество разнообразных микроорганизмов, которые способны разлагать различные вещества, в том числе и углеводороды нефти. Однако для их оптимального развития необходимо создать условия. При внесении в почву микроорганизмов их численность через определенное время стабилизируется на каком-то конкретном уровне: Очень большое значение имеет фаза роста микроорганизмов, в которой они вносятся в почву. По мнению многих авторов (Звягинцев, 1987), интродукция в загрязненную почву микроорганизмов, окисляющих углеводороды нефти, малоперспективна. К тому же интродукция штаммов и ассоциаций микроорганизмов в окружающую среду может привести к значительным изменениям микробоценоза и в конечном счете повлиять на всю экосистему (Звягинцев Д.Г., 1987).

Однако, согласно другой точке зрения, введение новых углеводородокисляющих микроорганизмов с бактериальными препаратами является оправданным при очистке нефтезагрязненных почв северных территорий, где микробиологическая активность почвы слаба из-за непродолжительного теплого сезона, сурового климата и специфических почвенных условий, особенно при техногенном воздействии (Маркарова Л.Е., 1999)

Для ускорения процесса деградации нефти в почве к естественной ассоциации микроорганизмов часто добавляют чистые культуры микроорганизмов-деструкторов углеводородов нефти, выделенные из вероятных ареалов их распространения -- загрязненных нефтепродуктами почв из различных климатических зон. Наиболее активные штаммы микроорганизмов-деструкторов нефти в дальнейшем служат основой для создания бактериального препарата. Его действующим началом является искусственно подобранная ассоциация живых микроорганизмов, относящихся порой к различным таксономическим группам и имеющих различные типы метаболизма. Препарат обычно включает также необходимые питательные вещества, стимуляторы ферментативной деятельности штаммов, а иногда сорбент, обладающий высокой сорбционной емкостью (Иларионов С.А., 2004). Первые бактериальные препараты, изготовленные на основе активных штаммов-деструкторов углеводородов нефти, состояли, как правило, из одного вида микроорганизмов. В дальнейшем было показано, что один микроорганизм не может использовать весь спектр углеводородов нефти, поэтому стали разрабатывать бактериальные препараты, состоящие из двух и более видов микроорганизмов-деструкторов. Ниже приведены результаты испытаний и примеры использования различных бактериальных препаратов.

...

Подобные документы

Характеристика методов и способов обезвреживания нефтезагрязненных субстратов. Анализ методов оценки нефтяного загрязнения почв и подходов к их восстановлению. Биоремедиация и трансформация нефти в почве микробиологическим препаратом и дождевыми червями.

дипломная работа , добавлен 01.04.2011


Влияние нефти и нефтепродуктов на окружающую природную среду. Компоненты нефти и их действие. Нефтяное загрязнение почв. Способы рекультивации нефтезагрязненных почв и грунтов с применением методов биоремедиации. Характеристика улучшенных методов.

курсовая работа , добавлен 21.05.2016


Компоненты нефти и их негативное влияние на окружающую природную среду. Виды микроорганизмов-деструкторов нефти и нефтепродуктов. Понятие и подходы биоремедиации, способы рекультивации нефтезагрязнённых почв и грунтов с применением методов биоремедиации.

реферат , добавлен 18.05.2015


Понятие и сущность биотехнологий; их использование для очистки углеводородов нефти. Биопрепараты-нефтедеструкторы: "Родер", "Суперкрмпост пикса", "Охромин", бактерии Pseudomonas - экологически безопасные методы восстановления нефтезагрязненных почв.

курсовая работа , добавлен 23.02.2011


Предупреждение последствий разливов нефтепродуктов. Использование аварийных огнеупорных, цилиндрических боновых заграждений постоянной плавучести. Механические, физико-химические, термические и биологические методы удаления нефти с водных поверхностей.

реферат , добавлен 27.02.2015


Основные понятия и этапы рекультивации земель. Рекультивация полигонов твердых бытовых отходов. Схема процесса очистки почвы от нефтепродуктов с внесением нефтеокисляющих микроорганизмов. Рекультивация земель, загрязненных тяжелыми металлами, отвалов.

контрольная работа , добавлен 31.10.2016


Проблема локальных загрязнений почвы, связанных с разливами нефти и нефтепродуктов. Снижение количества микроорганизмов в почве как следствие загрязнения почвы нефтепродуктами. Пагубное влияние загрязнений на пищевые цепи. Способы рекультивации земель.

презентация , добавлен 16.05.2016


Нарушение равновесного состояния почвы: загрязнение и изменение ее состава. Рекультивация малоплодородных земель. Восстановление почв после промышленных разработок. Достоинства и недостатки различных способов утилизации отходов - опыт развитых стран.

реферат , добавлен 14.07.2009


Оценка негативного влияния разлива нефти на физико-химические и микробиологические свойства зараженных почв. Анализ данных оценки эффективности технологии Cleansoil ® по ремедиации земель, методика проведения экспериментов и формирование выводов.

статья , добавлен 17.02.2015


Аварийное загрязнение нефтью. Механические, физико-химические и биологические методы и стадии ликвидации аварийных разливов нефти. Катастрофа в Керченском проливе. Экологическая катастрофа в Желтом море. Удаление нефтяных пленок с водной поверхности.