Технологические аспекты очистки и рекультивации почв агробиоценозов при нефтерозливах

Введение . Отличительной особенностью нефтяного загрязнения от других антропогенных воздействий является то, что оно создает мгновенную нагрузку на компоненты экосистемы, вызывая такие же быстрые реакции, связанные с биодеградацией экосистемы.

В случае нефтяного поражения экосистемы неоднозначна возможность возврата экосистемы к ее устойчивому прежнему состоянию. Мировая практика ликвидации проливов нефти имеет немало примеров, когда ликвидация пролива сопряжена с нанесением еще большего вреда экосистеме, не соизмеримого с воздействием нефти [3]. Рациональный принцип восстановления нефти загрязненной экосистемы – это создание оптимальных условий, в которых экосистема будет сама стремиться к восстановлению функции составляющих компонентов и связей между ними. Процесс самовосстановления компонентов агроэкосистемы (почва, вода, почвенный воздух, растения, живые организмы различного уровня организации) является дли- тельным многостадийным биогеохимическим процессом преобразования (биодеградации) и взаимодействия углеводородной жидкости с объектами экосистемы.

Интенсивность влияния и степень патологического действия углеводородов на живые организмы вне зависимости от уровня организации определяется ее химическим и фракционным составом, которые зависят от месторождения и характеристики нефтеносного пласта. Степень морфологических изменений почвы определяется ее физико-механическими и химическими свойствами. Под действием нефти происходят морфологические изменения, чаще всего регистрируется обесструктуривание вследствие склеивания структурных компонентов, изменение границ горизонта, увеличение вязкости и плотности почвы.

Проливы нефти и нефтепродуктов на почву способствуют заполнению нефтью порового пространства, трещин и воздушных полостей и замещением в них почвенного воздуха. В результате почвы верхних горизонтов приобретают смолисто-черный цвет, почвы нижних горизонтов окрашиваются в коричнево-серый, сизокоричневый и сизо-серый цвет. Низкая концентрация почвенного воздуха усугубляется нарушением процесса аэрации почвы в связи с образованием на поверхности битумной пленки. Водные осадки, попадающие на нефтепораженную почву при сильном загрязнении (более 20 000 мг/1 кг грунта), не способны произвести смачивание верхнего слоя, проникнуть к нижним слоям, в которых расположена корневая система растительного слоя, и, как правило, на поверхности осадков хорошо различимы радужные пленки. В результате в почве создается неблагоприятный водно-воздушный режим, изменяются свойства почвы: уменьшается гигроскопичность, влагоемкость, капиллярная и водоподъемная способность.

В условиях резкого ограничения аэрации почв формируются восстановительные условия, развивается процесс оглеения. В восстановительных процессах участвует анаэробная микрофлора, под действием гнилостных и бродильных микроорганизмов проходит образование недоокисленных, зловонных продуктов гниения – аммиака, сероводорода, метана, скатола, меркаптана.

Трансформация состава почвенных растворов в результате загрязнения изменяет pH почвы, изменяется миграционная активность, формы миграции и концентрации химических элементов в компонентах почвы.

Важным отрицательным результатом нефтяного загрязнения почв является ухудшение питательного режима – концентрации биогенных элементов (азота, калия, фосфора). При разливах нефтепродуктов в почве происходит резкое увеличение концентрации углеродов, при этом концентрация общего не изменяется. В почве чрезмерное количество углерода тормозит процесс аммонификации, в результате этого происходит накопление в большем количестве азотосодержащих веществ. В загрязненных почвах изменяется доступность подвижного фосфора и обменного калия, снижается ферментативная активность.

Нефтяное загрязнение почв вызывает изменение микробиологической активности, изменение видового разнообразия почвенных микроорганизмов. При нефтяных розливах увеличивается численность и активность углеводо-родокисляющих микроорганизмов.

В результате процесса микробиологического разложения углеводородов возможно ухудшение химического состава, физических, физикомеханических свойств. При деструкции нефтяных соединений под воздействием микробных полисахаридов соединения подвергаются диспергированию, в результате в почвенном растворе увеличивается концентрация активных углеводородов, вследствие увеличивается биологическая токсичность.

В результате накопления в почве токсичных промежуточных продуктов распада жирных кислот (углеводороды, альдегиды, кетоны) увеличивается фитотоксичность почвы. Токсические вещества, образующиеся в результате распада нефтепродуктов, попадают в водоносный горизонт, транспортируются сточными водами и, усваиваясь, накапливаются в вегетативной части растений.

Следовательно, загрязнение почвы нефтепродуктами коренным образом изменяет весь агробиоценоз, что наносит значительный ущерб природной среде. Восстановление поврежденных экосистем – задача сложная и требует творческого подхода в выборе технологии.

Проблема рекультивации почв экосистем при загрязнении розливами нефтепродуктов является актуальной. Ликвидация разливов чаще всего проводится путем сжигания, засыпки участков чистым грунтом, вывозом загрязненной почвы в отвалы. Это приводит к необратимому уничтожению плодородного слоя почвы. Экономически эффективным, биологически и экологически безопасным способом сбора и утилизации нефтепродуктов является использование сорбентов.

Цель исследований : оценка сорбционных характеристик полимерного сорбента серии «Униполимер»; разработка эффективного способа рекультивации почв экосистем при загрязнении розливами нефтепродуктов.

Задачи исследований : определение сорбционных характеристик сорбента серии «Униполимер» двух модификаций на товарной нефти Куюмбинского месторождения, летнем дизельном топливе, бензинах марки А-93 и А-80; разработка мобильного комплекса по очистке, санации и рекультивации земель с высокой степенью загрязнения.

Методы и результаты исследований . Сорбционная способность сорбентов, созданных на основе полимерных композиций, изучена на линии «добыча – первичная подготовка – транспортировка нефтепродуктов» в климатических условиях холодного и арктического климата. Сорбенты используют для локализации растворителей, токсичных, ядовитых, химических, агрессивных, радиоактивных соединений, ионов тяжелых металлов, для очистки поверхностей гидросферы, литосферы, сточной, оборотной и технологической воды при проведении плановых и профилактических мероприятий, ликвидации аварийных техногенных ситуаций [1].

Для совершенствования процесса сбора и ликвидации проливов легколетучих, пожароопасных и токсичных органических жидкостей разработан полимерный сорбент «Униполимер» из нетоксичной модифицированной водорастворимой смолы [2]. Благодаря технологии вспенивания и отверждения, он имеет высокую пористость (84–93 %), большинство пор (до 90 %) являются сквозными, открытыми, сорбент гид-рофобен, не поддерживает горение. В товар- ном виде полимерная пена является сухим порошком, имеющим гранулы неправильной формы до 10–20 мм, легко поддающиеся вакуумированию. В отдельных случаях сорбент может выпускаться в виде компактных блоков толщиной от 50 до 150 мм, широко применяемых для локализации утечек в насосных перекачиваю- щих станциях.

Сорбционные характеристики сорбента изучались методом капиллярной пропитки в условиях жидкофазного контакта с последующей статистической обработкой результатов. Материал в процессе времени смачивания находился в условиях действия поверхностных сил на границе раздела жидкость – сорбент. Основными факторами, определяющими сорбционную емкость сорбентов, являются: поверхностное натяжение, вязкость, косинус краевого угла смачивания [2].

Непрерывно регистрируемое изменение количества впитывающейся жидкости позволило вычислить параметры капиллярной пропитки и рассчитать условно-пикнометрическую плотность, порозность, сорбционную емкость (mж/mс). Условно-пикнометрическая плотность вычисляется для каждой жидкости, так как является характеристикой сорбирования, учитывает объем замкнутых, тупиковых (не впитывающих) пор, дает возможность рассчитать зна- чение порозности, характеризующее процент пористого пространства сорбента.

Изучение сорбционных характеристик двух модификаций полимерного сорбента серии «Униполимер» проводились на товарной нефти Куюмбинского месторождения, летнем дизельном топливе, бензинах марки А-93 и А-80. Нефть Куюмбинского месторождения обладала следующими характеристиками: плотность – 0,878–0,882 г/см3, сернистость – до 0,25 %. Результаты исследования двух модификаций полимерных сорбентов – высоко кратный (поглощающая способность 0,0068 г/см3), средней кратности (поглощающая способность – 0,0082 г/см3) приведены в таблице.

Результаты исследования сорбционных свойств полимерного сорбента «Униполимер»

Поглощаемая жидкость	Физико-химические свойства углеводорода				Характеристики сорбента
	Плотность, г/см3	η,mПа С	0, дин/см	cosθ	Плотность, г/см3	Т угл / т сорбента	Пороз-ность, %	Время пропитки 1 см/с
Высоко кратный полимерный сорбент
Дизельное топливо	0,840	4,31	28,40	0,832	0,0410	106,5	83,4	8,9
Бензин А-93	0,755	8,61	24,75	0,938	0,0716	109,7	90,5	4,8
Бензин А-80	0,710	14,88	21,84	0,981	0,0687	84,9	90,1	1,8
Нефть товарная	0,880	26,31	28,01	0,890	0,0422	120,0	83,9	173
Полиме			рный сорбент средней кратности
Дизельное топливо	0,840	4,31	28,40	0,832	0,0451	105,1	81,8	23,4
Бензин А-93	0,755	8,61	24,75	0,938	0,0716	82,9	85,6	23,0
Бензин А-80	0,710	14,88	21,84	0,981	0,0687	65,1	84,2	3,9
Нефть товарная	0,880	26,31	28,01	0,890	0,0422	86,0	82,4	192

В результате работы определено, что пикнометрическая плотность и порозность образцов для широкого спектра нефтепродуктов близки по значениям, это свидетельствует о наличии в сорбентах открытых пор, проницаемых для всех видов нефтепродуктов. Однако время пропитки сорбентов различной кратности значительно отличается, высоко кратный полимерный сорбент характеризуется большей скоростью пропитки, что уменьшает время использования и положительно сказывается на скорости очистки и рекультивации почв агробиоценозов.

Одним из преимуществ полимерных сорбентов является возможность возврата собранных нефтепродуктов в оборот после отжима. Предварительно проведенные наблюдения позволили найти оптимальное давление до 2 кг/см2, обеспечивающее минимальные потери углеводородов при отжиме и сохранение структуры полимерного сорбента. Вторичное использование полимерных сорбентов в условиях дефицита показывает, что предельным числом повторного использования сорбента следует считать пятикратное использование, после чего следует определить способ утилизации отработанного сорбента и остатка углеводородов.

Техническая задача очистки и рекультивации почв агробиоценозов была направлена на разработку и создание мобильного комплекса с расширением функционально-технических и технологических задач по очистке, санации и рекультивации земель с высокой степенью загрязнения нефтепродуктами, независимо от сроков загрязнения, рельефа местности и погодных условий [4].

Мобильный комплекс (рис.) представляет собой тягово-силовой агрегат 1 , например гусеничный трактор, мощностью 90–130 кВт, впереди которого расположен отвал в виде скребкового ножа 2 и прицепная платформа, на которой установлено фрезерное устройство 3 для снятия нефтезагрязненной почвы; опорные колеса 4 прицепного устройства; трехсекционный бункер для сыпучих материалов 5 ; бак для жидких реагентов 6 ; агрегат укладки почвы 7 ; дозатор-смеситель препарата 8 , в котором установлены шнеки 11 ; системы привода агрегатов комплекса 9 кардана от вала отбора мощности 10 [5].

Основные технические и эксплуатационные характеристики мобильного комплекса: мощность силового агрегата 90–140 кВт; трехсекционный бункер для сыпучих материалов загрузочной емкостью 1,5 м3; гидробак-емкость для эмульсий и жидких реагентов объемом 0,8 м3; частота вращения фрезы 300–400 об/мин; скорость движения 3–5 км/час; габаритные размеры - длина 6,5 м, ширина 3,5 м, высота 2,6 м. Максимальная глубина среза-фрезерования грунта - 0,45 м, производительность в зависимости от степени загрязнения, структуры и свойства грунтов колеблется в пределах 0,015– 0,05 га/ч. Количество обслуживающего персонала - 1 человек.

В процессе работы мобильного комплекса отвалом (скребковым ножом) удаляются погибшие кустарники, далее механизм фрезерования срезает и фрезерует загрязненную нефтепродуктами почву, разрыхляет на мелкие отдельные фракции, ослабляя и разрушая при этом адгезионные связи между частицами почвы и нефтью. Разрыхленная почва подается в дозатор-смеситель, в котором установлены шнеки с дифференцированным шагом (на чертеже не показаны) для качественного, равномерного перемешивания и внедрения в массу грунта сорбентов, удобрений, мелиорантов-аэрантов, с учетом свойств сорбентов и их структуры [6, 7]. В зависимости от степени загрязнения почвы высота срезаемого слоя земли для фрезерования колеблется от 50 до 400 мм.

Обработанная масса земли подается в агрегат укладки, который имеет формирующую камеру, выполненную с трапецеидальными вырезами, создающими переменное сечение для повышения эффективности задержания влаги в бороздах в летний период и снега в зимний период.

Преимущества способа очистки и рекультивации земель с помощью мобильного комплекса - это высокая проходимость и надежность работы комплекса независимо от рельефа местности и погодных условий; мобильность, оперативность и автономность работы при очистке и рекультивации земель, загрязненных нефтепродуктами. Конструктивная особенность мобильного комплекса позволяет производить работы по санации, рекультивации загрязненной почвы с последующей ее минерализацией и одновременной посадкой семян дикорастущих многолетних трав, при подготовке почв к агромелиорации (рыхление, насыщение воздухом). В зависимости от регламента и алгоритма необходимых технологических операций в мобильном комплексе устанавливается глубина фрезерования почвы, степень разрыхления и аэрации. Регулируется подача сорбентов в дозатор-смеситель и толщина укладки на очищаемую поверхность при рекультивации почвы. Комбинированный способ очистки грунтов и рекультивации почва гробиоценозов позволяет значительно улучшить физико-механические, гидрологические характеристики почвы, что оказывает положительное влияние на почвенную микрофлору, участвующую в процессе биоремедиации нефти загрязненной почвы в климатических условиях Сибири и Дальнего Востока [8, 9].

Схема мобильного комплекса для очистки грунтов и рекультивации почв и пахотных земель от нефтяных загрязнений

Выводы . Полученные результаты позволяют рекомендовать высоко кратный полимерный сорбент серии «Униполимер» для использования при рекультивации почв при нефтяных розливах.

Применение высоко кратного полимерного сорбента серии «Униполимер» уменьшает время использования, что положительно сказывается на скорости очистки и рекультивации почв агробиоценозов. Для внесения сорбента в почву предлагается мобильный комплекс. Использование мобильного комплекса позволит эффективно проводить работы по очистке и рекультивации земель, загрязненных нефтепродуктами.