В.И.Вавер Межрайонный комитет охраны природы и природных ресурсов, г. Нижневартовск
Причины и следствия нефтяных разливов
На протяжении трех последних десятилетий в Нижневартовском районе было добыто 2,5 миллиарда тонн нефти.
В соответствии с принятым в шестидесятых годах подходом к разработке нефтяных месторождений Западной Сибири, предполагавшим их освоение, преимущественно, вахтовым методом и интенсивную разработку, обустройство месторождений нефти производилось с минимальными затратами, в расчете на непродолжительную эксплуатацию. При этом на экологическую безопасность строящихся объектов никто и не рассчитывал, а попытки проектировщиков и руководителей нефтегазодобывающих управлений повысить технологическую надежность трубопроводов за счет их удорожания пресекались экспертизой Миннефтепрома.
Первые порывы внутрипромысловых нефтепроводов, сопровождавшиеся разливами значительных объемов нефти, не заставили себя ждать, а вследствие ускоренного роста обводненности нефти, через 5-6 лет эксплуатации начались массовые порывы труб нефтесборных сетей.
Часть нефти, разлитой в доступных местах, откачивалась, разливы нефти в непосредственной близости от промысловых объектов просто засыпались песком. Большая часть разливов оставалась брошенной или выжигалась. И каждый случай выжигания разлитой нефти сопровождался выбросом в атмосферу значительного количества сажи, содержащей канцерогенные вещества типа 2,4-бенз(а)пирена. Легкие фракции нефти, в том числе канцерогенные ароматические углеводороды, испаряясь в летнее время с поверхности разливов, интенсивно загрязняют атмосферный воздух. Выбросы сажи при выжигании нефти и испаряющиеся с разливов углеводороды загрязняют воздух не только на территории месторождений нефти, но и вносят существенный вклад в загрязнение воздуха населенных пунктов.
Остаточная нефть, оставаясь на месте разлива, постоянно просачивается в почвенные воды и создает угрозу загрязнения нефтепродуктами подземных водоносных горизонтов, являющихся источником водоснабжения населенных пунктов Нижневартовского района. На территории Самотлорского месторождения уже отмечены признаки нефтяного загрязнения водоносных горизонтов . Постепенно мигрируя, нефтяное загрязнение распространяется на территориях, иногда значительно превышающих площадь первичного загрязнения.
Значительная часть разлитой нефти с паводковыми и ливневыми водами скатывается в водотоки, загрязняя воду нефтепродуктами. По данным Нижневартовской специнспекции государственного экологического контроля, содержание нефтепродуктов в водах рек Обь и Вах в 1996 г. колебалась от 1,7 до 2,3 ПДК . Попавшая в водоемы нефть, теряя легкие фракции вследствие выветривания, поступает на дно, где в условиях дефицита кислорода остается на длительное время, подвергаясь чрезвычайно медленному биоразложению. Таким образом, затонувшая и погребенная в насыпях грунта нефть становится постоянным источником загрязнения грунтовых вод и поверхностных водоемов.
Общая токсичность нефти, как правило, невысока. В то же время, отдельные компоненты нефти и продуктов ее биоразложения, преимущественно, полиароматические и полициклические соединения, отличаются мутагенностью, канцерогенными свойствами и тератогенностью. А последствия их воздействия на живые организмы, в том числе и на человека, могут проявляться через многие годы и в последующих поколениях. Проявления этого воздействия весьма многообразны и могут выражаться в снижении иммунитета, развитии аллергий и раковых опухолей, повышении частоты появления врожденных уродств и т.п. Наибольшую опасность при этом составляют генетические нарушения.
Зеленые растения, грибы и микроорганизмы, развивающиеся в грунтах и донных отложениях водоемов, содержащих даже следы нефти, накапливают и концентрируют в своих тканях тяжелые металлы, радионуклиды, канцерогенные вещества и генетические яды и передают их по пищевой цепи высшим организмам с соответствующими последствиями.
Таким образом, нефтяное загрязнение природных сред надолго создает угрозу здоровью населения региона. И не случайно у жителей Нижневартовска, по данным государственной системы «Среда-здоровье», зафиксировано превышение среднероссийских показателей заболеваемости злокачественными новообразованиями в 2-3 раза. В целом, состояние здоровья населения г. Нижневартовска оценивается как критическое .
Масштабы бедствия
С начала девяностых годов начались массовые работы по ликвидации нефтяного загрязнения земель. Впрочем, прирост площадей залитых нефтью земель из-за возрастающей аварийности труб превышал и превышает площади хотя бы частично рекультивированных земель. На начало 1997 г. накопленный фонд загрязненных нефтью земель, по явно заниженным данным отчетности нефтедобывающих предприятий, составил 2314 га .
Сегодня разливы нефти на территории нефтяных месторождений Западной Сибири приняли характер бедствия. Из 20,2 тыс. км внутрипромысловых трубопроводов, построенных в Нижневартовском районе, 3,4 тыс. км (16,6%) практически полностью изношены и требуют немедленной замены . Из-за отсутствия у предприятий средств на реконструкцию трубопроводов фонд изношенных труб увеличивается, что неизбежно приводит к прогрессирующему росту количества аварий и, соответственно, к ежегодному приросту площадей залитых нефтью земель.
По данным отчетности нефтедобывающих предприятий, только в 1996 г. на территории Нижневартовского района зарегистрировано 1543 аварии на внутрипромысловых трубопроводах, в результате которых было разлито 424,3 тонн нефти и 607,0 тонн сильно минерализованных пластовых вод. При этом, было загрязнено нефтью 42,43 га земель .
По минимальным экспертным оценкам , только при авариях 1996 г. на территории района площади земель, загрязненных нефтью, должны составлять не менее 300 га, а объем разлитой на рельеф нефти - 30 тыс. т, из которой технически могло быть собрано не более 18-25 тыс. т. По сведениям лесхозов, в результате только двух аварий 1996 г. было загрязнено нефтью и высокоминерализованной пластовой водой 6,2 га лесов .
В этих условиях ликвидация последствий многочисленных аварий, рекультивация обширного накопленного и постоянно образующегося фонда загрязненных нефтью земель становится первостепенной задачей.
Цели и реальные возможности рекультивации
В обычной практике под рекультивацией подразумевают восстановление первоначального плодородия ранее нарушенных земель. Это является конечной целью любых рекультивационных работ.
Рекультивация земель, загрязненных нефтью и тяжелыми нефтепродуктами, предполагает снижение их содержания в почве и воде до биологически безопасных концентраций. Однако, величина этих концентраций до настоящего времени не установлена из-за сложного и непостоянного химического состава нефти и вряд ли будет установлена однозначно. Нефти различных месторождений и даже разных пластов одного месторождения существенно различаются по химическому составу. А поскольку основную опасность представляют канцерогенные и мутагенные вещества, содержащиеся в нефти в непостоянных и очень малых концентрациях, практически не влияющие на продуктивность первых поколений зеленых растений, по которой и оценивается обычно плодородие земель, задача установления биологически безопасного уровня нефтяного загрязнения крайне затрудняется.
Рост и размножение многих видов зеленых растений возможны при содержании нефти в почве до нескольких процентов (в зависимости от типа почв). А для некоторых нефтестойких растений, например, рогоза широколистного, нефть является стимулятором роста, что можно наблюдать на некоторых старых разливах нефти. Но накопление в растениях мутагенов и канцерогенов делает эти растения опасными для высших форм жизни.
Поэтому становится очевидным, что рост зеленых растений не может служить истинным критерием реабилитации загрязненных нефтью земель и свидетельствует лишь о снижении концентрации нефти в почве ниже пределов фитотоксичности, различных для разных видов растений и типов почв.
В случае нефтяного загрязнения земель мы должны четко понимать, что быстрое достижение истинной цели рекультивации - обеспечение биологической безопасности загрязненных земель и развивающейся на них биомассы - в приемлемые для производственников сроки возможно только при полном изъятии загрязненного грунта с места разлива и замене его чистым плодородным грунтом.
В реальных производственных условиях фактической целью проведения рекультивационных работ является лишь снижение содержания в почве нефти и нефтепродуктов до условного предела , при котором возможно развитие, рост и размножение зеленых растений, и достижение близкого к первоначальному общепроективного покрытия растениями «рекультивированной» земли (см. табл.).
Достижение этой цели вполне реально за 1-5 лет. На самом деле это всего лишь начальный этап рекультивации, при котором возможно дальнейшее самоочищение почвы до биологически безопасного уровня с участием зеленых растений и почвенной микрофлоры. И на это потребуются уже не годы, а десятилетия.
Именно поэтому, даже после восстановления плодородия рекультивируемых земель, они не должны использоваться для выращивания пищевых и кормовых растений. На этих землях нельзя косить сено и выпасать скот, нельзя собирать грибы и ягоды. Не следует и ловить рыбу в загрязненных нефтью водоемах. Единственным критерием для снятия этих ограничений могут быть результаты специальных физико-химических и токсикологических исследований почвы, произрастающих на ней растений и обитателей рекультивированных нефтезагрязненных водоемов.
К сожалению, практически все действующие нормативные документы, регламентирующие рекультивационные работы и приемку рекультивированных земель, не учитывают опасность накопления в почве и воспроизводящейся в ней биомассе токсических продуктов окисления и биоразложения разлитой нефти. В соответствии с современной практикой рекультивационных работ, грунты и отходы бурения с содержанием нефтепродуктов, приведенным в таблице, считаются в достаточной степени безопасными. И, хотя требования наиболее жесткого из нормативных документов предусматривают запрещение использования рекультивированных после нефтяного загрязнения земель для сбора ягод, грибов, сенокошения, выращивания продуктов питания и кормов для животных до снижения концентрации опасных веществ ниже уровня ПДК, на практике это положение никем и никогда не реализуется.
Как рекультивируют земли, загрязненные нефтью
Подготовительные работы. На первых этапах ликвидации разлива нефти основной задачей является локализация загрязненного участка для предотвращения распространения нефтяного пятна и сбор максимально возможного количества разлитой нефти. Эти работы должны выполняться немедленно после аварии. И чем тщательней они выполнены, тем благоприятнее прогноз результатов рекультивации.
Поскольку основное количество разливов нефти и нефтепродуктов, допущенных в мировой практике, происходило при авариях нефтеналивных судов, наиболее полно отработаны методы локализации и сбора разлитой нефти на водных поверхностях.
Для локализации нефтяных пятен на водной поверхности применяют различные типы боновых заграждений, выпускаемые многими зарубежными фирмами. К сожалению, перечень боновых заграждений, выпускаемых в России, ограничен быстроустанавливаемыми резинотканевыми заграждениями «Уж» , и заграждениями типа «Анаконда». Некоторыми малыми предприятиями изготавливаются простейшие, но надежные боновые заграждения серии «БН» и др. При установке боновых заграждений следует немедленно организовать откачку нефти, скапливающейся перед заграждением, не допуская ее накопления в значительном количестве.
Поскольку откачку разлитой нефти легче всего осуществить с поверхности воды, на суходолах в пределах локализованных участков земель устраивают дренажные (нефтесборные) канавы, направленные к естественным либо специально отрытым углублениям (ловчим ямам), частично заполняемым водой. В этих углублениях устанавливают устройства для откачки собирающейся в них нефти.
Для повышения полноты очистки земли, после откачки основного объема разлитой нефти целесообразно использовать прием отмывки почвы от остаточной нефти струями воды, сгоняя разлитую нефть в дренажную канаву или непосредственно в понижения рельефа. Эффективность отмывки существенно повышается при добавлении в воду разлагаемых почвенной микрофлорой поверхностно-активных веществ (ПАВ) в концентрациях 0,02-0,5%. Особенно полезно использование приема отмывки с применением ПАВ для очистки от нефти травы или кустарников.
Для сбора нефти с поверхности воды в водоемах, понижениях рельефа, в ловчих ямах, используются плавающие нефтезаборные отсасывающие устройства - скиммеры, барабанные и дисковые нефтесборщики, выпускаемые серийно, преимущественно зарубежными фирмами. Для сбора нефти с поверхности воды перспективно применение динамических нефтесборщиков-накопителей серии «НД» , работающих в автоматическом режиме и обеспечивающих отсутствие проскока нефти под боновыми заграждениями. В настоящее время эти нефтесборщики изготавливаются в единичных экземплярах ТОО «ТТЦ «Сибирьнефть» (г. Нижневартовск).
Рядом отечественных и зарубежных предприятий разработаны и предлагаются потребителям впитывающие маты для сбора нефти с поверхности воды и грунтов. Лучшие образцы таких матов могут впитывать до 40 кг нефти на 1 м2 и, после отжима из них собранной нефти, могут быть повторно использованы 12-15 раз. Их рационально использовать для сбора небольших пятен разлитой нефти и для «чистовой уборки» нефти после откачки основного ее количества другими методами. При этом достигается максимально возможная полнота сбора нефти. В России такие маты с поглощающей способностью до 15 кг нефти на 1 кг мата (при плотности около 1 кг/м 2) предлагаются предприятием «Экосервис» (г.Томск) и «Эчтех» (г.Томск).
Некоторые фирмы предлагают порошкообразные и гранулированные сорбенты различных типов, впитывающие разлитую нефть. Но пока не созданы и не выпускаются в промышленном масштабе механические устройства для сбора и утилизации нефтенасыщенных сорбентов, и их массовое применение на обширных разливах, характерных для промыслов Западной Сибири, малоперспективно.
Рекультивационные работы. После сбора разлитой нефти часть ее остается сорбированной на почве и остатках растительности. Она частично выветривается, а при более длительных сроках - частично или полностью битуминизируется, покрывая почву плотной коркой. Нефть, разлитая на поверхности водоемов, через год оказывается на дне водоема вследствие сорбции на твердых частицах, а так же из-за увеличения плотности.
Первым этапом рекультивации нефтезагрязненных земель является очистка почв и грунтов от нефти и нефтепродуктов.
Достаточно подробное описание рекомендуемых методов и приемов очистки и утилизации нефтесодержащих грунтов и отходов приведено в отчете рабочей группы международной ассоциации нефтяных компаний и предприятий нефтяной промышленности «Е & Р Forum» . Для ликвидации нефтяного загрязнения земель рекомендуется полное удаление загрязненного грунта с последующей его очисткой. Для очистки рекомендована экстракция нефти жидкой СO 2 или органические растворители, а при наличии благоприятных условий - биохимическое разложение углеводородов нефти почвенной микрофлорой. В качестве биохимических методов очистки собранного с разливов грунта предлагается устройство орошения полей, компостирование либо просто разбрасывание на почве нефтесодержащих отходов с последующим их самоочищением.
Самый простой из перечисленных методов заключается в разбрасывании загрязненных отходов по почве тонким слоем с последующими периодическими перепашками для перемешивания и аэрации. Разложение углеводородов происходит под воздействием естественной почвенной микрофлоры. Для интенсификации разложения и предотвращения выщелачивания и миграции загрязнений, в перемешанный с отходами грунт могут добавляться вода и вспомогательные вещества - удобрения, сорбенты и т.д. На одном участке разбрасывание осуществляется один раз во избежание накопления в почве органических веществ и тяжелых металлов. Этот метод рекомендуется для удаления отработанных буровых растворов с малым содержанием углеводородов и солей.
Устройство полей орошения отличается от предыдущего метода только тем, что на одном и том же участке разбрасывание с последующими перепашками производится многократно. В засушливое время производится полив.
Участки для разбрасывания и устройства полей орошения выбираются таким образом, чтобы исключить возможность распространения загрязнения за пределы отведенного для этой цели участка.
Компостирование нефтесодержащих отходов может применяться при относительно высоких концентрациях углеводородов и других биоразлагаемых веществ. Подлежащие уничтожению отходы для увеличения пористости перемешивают с наполнителем - древесной щепой, соломой и т.п.,- после чего их перемешивают с почвой, содержащей микроорганизмы. В смесь могут быть добавлены сельскохозяйственные отходы для повышения водоудерживающей способности, а также минеральные удобрения и микроэлементы. Смесь укладывают на лотки или в поддоны с сетчатым дном или в кучи высотой до 1 м, периодически перемешивают и увлажняют. При использовании этого метода содержание углеводородов в компосте может быть понижено с 10% до долей процента за 4-8 недель.
Для предварительной очистки от нефти больших количеств собранного грунта и нефтешламов широко используются разного рода центробежные аппараты, позволяющие выделить из грунта и шламов товарную нефть и достичь остаточного содержания нефти в грунтах не более 8%.
К сожалению, при масштабах разливов нефти, допущенных в Западной Сибири, эти методы в большинстве случаев практически неприменимы из-за высокой стоимости работ или применимы в весьма ограниченных объемах. Тем не менее, подобные методы могут оказаться полезными при ликвидации шламовых амбаров, загрязненных нефтью, и небольших участков с высокой интенсивностью загрязнения.
Микробиологическая очистка земель. При значительных площадях загрязнения земель и водоемов наиболее приемлемым методом очистки земель и вод является повсеместно применяемый в мировой и отечественной практике метод, использующий микробиологическое разложение нефти на месте разлива с последующим самозарастанием очищенных земель или высевом многолетних трав.
Этот метод достаточно прост в реализации и заключается в проведении на загрязненных землях ряда агротехнических мероприятий, направленных на активизацию почвенных нефтеокисляющих микроорганизмов, обладающих способностью использовать в качестве единственного источника питания углеводороды нефти, в конечном счете, окисляя их до СО 2 и воды. Первичное окисление нефти до органических кислот, спиртов, кетонов и альдегидов обеспечивается именно углеводоро-докисляющими микроорганизмами, достаточно полно описанными в обзоре . На последующих этапах разрушения продуктов первичного окисления нефти в процесс вовлекаются и другие физиологические группы почвенных микроорганизмов, простейшие и водоросли, обычно обитающие в почве и водоемах. Учитывая сложный состав нефтей и неодинаковую способность разных групп углеводородокисляющих микроорганизмов к усвоению различных компонентов нефти, необходимо обеспечить воздействие на нефть возможно более сложного сообщества микроорганизмов.
К счастью, в составе микробных сообществ, сложившихся в почвах, и поверхностных водах на территориях.месторождений нефти, присутствуют все необходимые микроорганизмы. Особенно активны эти сообщества на участках, постоянно, но не обильно загрязняемых нефтепродуктами, и на старых, но не особенно массированных разливах нефти. На Самотлорском месторождении нами было обследовано более 20 участков, загрязненных нефтью. На всех участках были обнаружены весьма активные многовидовые сообщества нефтеокисляющих микроорганизмов.
Исключение могут составлять только участки, никогда ранее не подвергавшиеся загрязнению нефтью и нефтепродуктами. Но и в этих случаях в пробах почвы и воды обнаруживались до 103 кл/г углеводородокисляющих бактерий. Правда, их видовой состав не отличался разнообразием и был представлен, в основном, представителями рода Pseudomonas. Соответственно, их активность оказалась сравнительно невысокой. Однако, и в этом случае при создании благоприятных условий со временем развиваются весьма активные микробиоценозы. Таким образом, в подавляющем большинстве случаев, характерных для западносибирских месторождений нефти, необходимые для быстрого разрушения разлитой нефти микроорганизмы уже содержатся в почве и водоемах. Их численность, может быть, и невысока, но в результате проведенных рекультивационных мероприятий - внесения удобрений и т.д. - в течение нескольких суток она возрастает от единичных клеток в грамме почвы или воды до величин порядка 10 12 - 10 15 кл/г. И только в отдельных случаях, в условиях короткого сибирского лета для ускорения процесса очищения почвы от нефти оправдано внесение на рекультивируемые участки бактерийных препаратов на основе культур высокоактивных штаммов углеводородокисляющих микроорганизмов, выпускаемых рядом предприятий.
Из отечественных широкую известность приобрели препараты «Путидойл» на основе выделенных из загрязненных нефтью грунтов Самотлорского месторождения бактерий Pseudomonas putida, «Деворойл» на основе дрожжей Candida, «Биоприн», а также препараты группы «Биодеструктор»: «Лидер» на основе Rhodococcus sp. S-1213 и «Валентис» на основе Acinetobacter valentis, рекомендуемые для очистки почвы и воды от нефти, парафинов C 8 -C 40 , дизельного топлива, рафинатов, масел, ароматических углеводородов (фенол, бензол, толуол), котельного топлива. В последние годы ассортимент микробиологических препаратов, разрешенных к применению Госсанэпиднадзором и предлагаемых к продаже, увеличивается.
Весьма перспективным направлением является разработка микробных препаратов углеводородокисляющих микроорганизмов, иммобилизованных на твердых субстратах, способных сорбировать нефть.
При необходимости быстрой ликвидации загрязнения нефтью ограниченных участков земель целесообразно применение ферментных препаратов, не содержащих живых клеток, но сохранивших неповрежденные фрагменты ферментных систем углеводородокисляющих микроорганизмов, быстро разрушающих углеводороды нефти. Как правило, эти препараты содержат многочисленные добавки - витамины, микроэлементы и т.д., стимулирующие ускоренное развитие почвенной микрофлоры, разрушающей продукты первичного окисления нефтепродуктов ферментными добавками. В качестве примеров таких препаратов может быть назван предлагаемый НПФ «МИТЭК» (г.Уфа) отечественный препарат «Белвитамил» на основе активного ила биохимического производства, содержащий ферментные системы дрожжей Candida, витамины и микроэлементы, необходимые для ускорения развития аборигенной микрофлоры. Разработаны, но пока не нашли широкого применения отечественные препараты, содержащие ферментные системы углеводородокисляющих бактерий, иммобилизованные на поверхности твердого сорбента. К сожалению, эти препараты весьма дороги.
В любом случае, при использовании аборигенных микробных сообществ или при внесении микробных препаратов, необходимо создать в очищаемой среде оптимальные условия для развития и активной жизнедеятельности углеводородокисляющей микрофлоры:
- поступление кислорода к зоне жизнедеятельности микроорганизмов;
- наличие в очищаемой среде легко усваиваемых водорастворимых минеральных веществ, в первую очередь, - калия, азота и фосфора;
- поддержание кислотности и влажности очищаемой среды в пределах, обеспечивающих жизнедеятельность микроорганизмов и достаточную активность ферментных систем.
На обеспечение этих условий и должны быть направлены основные усилия при проведении рекультивационных работ. И, как правило, для этого достаточно проведения обычных для сельскохозяйственной практики, агрохимических и агротехнических мероприятий.
При выборе конкретных форм минеральных азотных удобрений следует учитывать, что микроорганизмы, содержащиеся в препаратах серии «Биодеструктор», при внесении нитратного азота резко снижают углеводородо-окисляющую активность. Учитывая, что микроорганизмы родов Acinetobacter и Rhodococcus широко представлены в естественных микробных сообществах и играют значительную роль в процессах очищения почв от нефтепродуктов в природных условиях, к вопросу о применении нитратных форм азотных удобрений следует подходить с осторожностью. Предпочтение целесообразно отдавать безнитратным формам минеральных удобрений.
Реальные дозировки удобрений (в пересчете на К, Р и N), рекомендуемые нами для внесения на рекультивируемые участки при их первичной обработке, составляют: азота от 14 до 35 кг/га, калия от 11 до 27 кг/га и фосфора от 5 до 12 кг/га на каждые 5 см глубины перепашки грунта. При внесении удобрений в залитые водой углубления, амбары и загрязненные нефтью озерки, на каждые 1000 м 3 воды целесообразно внесение не менее 28 кг азота, 22 кг калия и 10 кг фосфора. Эти дозировки обеспечивают концентрации К, N и Р в почвенном растворе в 5 раз ниже применяемых при составлении минеральных питательных сред для выделения и накопления углеводородокисляющих бактерий (УОБ) . Но, учитывая, что высокие темпы развития УОБ обеспечиваются и при десятикратном разбавлении питательных сред, применение таких дозировок вполне оправдано. Как показывает наша практика, лучшие результаты достигаются при внесении расчетного количества минеральных удобрений дробными дозами, в 2 - 3 приема с интервалами 3 - 7 суток. При первом внесении доза удобрений должна составлять 10-20% от расчетного количества. Этим достигается мягкая адаптация аборигенной почвенной микрофлоры к повышению содержания в среде усваиваемых минеральных веществ.
Значения рН почв и воды, оптимальные для развития углеводородокисляющих микроорганизмов, лежат в пределах 6,5-7,5 . В реальных условиях нефтеокисляющие микроорганизмы хорошо развиваются и сохраняют достаточную активность при снижении значений рН среды до 5,0. Некоторые виды нефтеокисляющих микроорганизмов (например, дрожжи) устойчивы к снижению рН до 3,5 и ниже. Но скорость и полнота использования микрофлорой углеводородов нефти при этом резко снижаются.
При микробиологическом окислении нефти в условиях дефицита кислорода происходит накопление органических кислот, сопровождающееся снижением рН.
Необходим предварительный контроль кислотности грунтов и вод на каждом участке, подлежащем рекультивации. При рН почвенной воды или грунта ниже 5,0 - 5,5 рекомендуется вносить раскислители - известняковую или доломитовую муку, либо мел. Нормы внесения раскислителей принимают в соответствии с обычной агротехнической практикой . Передозировка карбонатных материалов не приводит к нежелательным последствиям. А избыточный, на момент внесения, раскис-литель расходуется по мере распада нефти и образования карбоновых кислот, предотвращая последующее закис-ление почвы. Образующиеся при этом кальциевые соли карбоновых кислот усваиваются почвенными микроорганизмами легче, чем свободные кислоты. Следует учитывать и то, что при поверхностном загрязнении нефтью переувлажненных грунтов цеолит, доломитовая и известняковая мука хорошо сорбируют разлитую нефть и одновременно играют роль коллекторов, на поверхности которых микроорганизмы развиваются более интенсивно.
Совершенно необходимым условием для обеспечения процесса микробиологического очищения почв и воды от нефти и нефтепродуктов является аэрация зон активной деятельности микроорганизмов любым доступным способом.
В природных условиях зона, в которой протекают процессы ускоренной биодеградации нефти, ограничивается поверхностным слоем грунта, доступным для проникновения кислорода и аэрированных поверхностных вод. Наличие сплошных слоев нефти на поверхности грунта и воды сильно ограничивает зону аэрации и тем сильнее, чем больше толщина слоя, вязкость и степень выветренности нефти, разлитой на поверхности загрязненного участка. В случае наличия на поверхности сплошных слоев или корки нефти толщиной более 2-3 мм она с более-менее заметной скоростью разрушается только в поверхностном слое и лишь при его периодическом увлажнении атмосферными осадками. Именно поэтому предварительный сбор нефти с поверхности разлива может стать решающим фактором, определяющим эффективность всего комплекса рекультивационных работ. А в случае проникновения разлитой нефти в толщу грунта следует принимать дополнительные меры для обеспечения аэрирования всей его толщи.
Наиболее распространенным способом аэрации загрязненного нефтью грунта является его рыхление фрезерованием или перепашка на всю глубину проникновения нефти. При этом достигается эффект снижения концентрации нефти в грунте за счет смешения нефтезагрязнённого грунта с незагрязненным или менее загрязненным из нижележащих его слоев .
При поверхностном загрязнении нефтью переувлажненных грунтов или водной поверхности болот, мочажин, маленьких болотных озерков и т.п., для ускорения разрушения нефти может быть использован прием орошения поверхности рекультивируемого участка аэрированной водой. В этом случае, на периферии участка в направлении естественного стока выбирают углубление в грунте или вырывают экскаватором небольшой котлован, глубиной 1,5-2 м, затапливаемый грунтовой водой. При необходимости устраивают неглубокие коллекторные канавки (борозды), обеспечивающие сток воды и нефти с поверхности участка в эту выемку. На участке устанавливают форсуночные или струйные садовые разбрызгиватели воды, применяемые для поливки парковых газонов. Разбрызгиватели располагают таким образом, чтобы вся территория рекультивируемого участка орошалась водой, и соединяют их системой гибких шлангов из маслостой-кого материала с водяным насосом, отбирающим воду из выемки. Устроенная таким образом система обеспечивает непрерывное или периодическое орошение всей поверхности участка аэрированной водой, что значительно ускоряет микробиологическое окисление нефти. Минеральные удобрения в этом случае можно не распределять по всему участку, а внести в это углубление, что значительно упрощает работу и обеспечивает равномерное распределение удобрений.
Плотный слой выветренной нефти можно разрушить накануне проведения рекультивационных работ траками гусениц болотоходов или (после промерзания грунта) гусеницами тяжелого трактора. На небольших участках корочки нефти можно разрушить вручную, с использованием мотоблоков или ручного инвентаря - грабель, мотыг и т.п.
На небольших замкнутых водоемах, покрытых слоем нефти, аэрация воды может быть обеспечена установкой в водоеме плавающих аэраторов типа АП-24, выпускаемых фирмой «Новые технологии» (г.Нижневартовск), представляющих собой небольшие по габаритам турбинные мешалки с электроприводом, смонтированные на поплавках, обеспечивающие захват атмосферного воздуха и интенсивное его диспергирование в воде водоема.
В случаях обнаружения нефти в донных отложениях, кроме принудительной аэрации воды, рекомендуется периодически производить рыхление донных отложений в водоеме путем многократного протаскивания по дну водоема с помощью канатов обычных зубчатых борон.
Фиторекулътивация. После снижения содержания нефтепродуктов в почве на рекультивируемых участках до значений, обеспечивающих возможность роста и размножения наиболее нефтестойких зеленых растений, приступают к фиторекультивации загрязненных земель.
В естественных условиях, после предварительного сбора разлитой нефти при низкой степени остаточного загрязнения грунтов, самопроизвольное заселение пионерных видов растений, наиболее устойчивых к нефтяному загрязнению, начинается уже к окончанию первого года рекультивации, даже без предварительного рыхления почв. При средней степени загрязнения зарастание участка травами происходит обычно в течение 3-7 лет. А весь процесс самоочищения почвы с возобновлением естественных растительных сообществ продолжается в течение 80 - 100 лет .
Для ускорения процесса развития травостоя и, соответственно, сдачи рекультивированного участка заказчику, прибегают к посеву трав. На сильнозагрязненных участках, с полностью погибшей к началу рекультивационных работ растительностью, посев трав на 3 - 5 лет сокращает сроки заселения участков зелеными растениями.
Разумеется, видовой состав травосмесей будет сильно отличаться от видового состава растительности на соседних участках. Но в дальнейшем по мере самоочищения почвы, травосмесь будет замещаться сообществом растений, характерных для данного ландшафта. Однако, этот процесс длителен и не всегда возможен, поскольку изменения структуры и состава почвы, происходящие при рекультивации сильно загрязненных почв, могут носить необратимый характер.
Для фиторекультивации нефтезагрязненных земель используют наиболее доступные семена однолетних и многолетних трав, предпочтительно злаков, обладающих развитой корневой системой и повышенной устойчивостью к нефтяному загрязнению почвы. При этом следует предпочесть семена трав, характерных для местных болотных и лесоболотных экосистем и хорошо адаптированных к местным почвенно-климатическим условиям. Выбор семян конкретных растений зависит от особенностей ландшафта рекультивируемых земель . Обычно используются смеси семян, содержащие не менее 3 видов трав. На суходольных участках в состав семенной смеси обязательно включается клевер ползучий, а на обводненных болотах - рогоз широколистный. Семена этих трав (кроме рогоза и вейника Лангсдорфа) производятся рядом семеноводческих хозяйств. Заготовку семян рогоза придется вести самостоятельно. Правда, в условиях лесоболотных комплексов Западной Сибири это не составляет проблемы.
Следует отметить, что нередки случаи, когда даже после максимально полной ликвидации нефтяного загрязнения, восстановление травяного покрова на участке невозможно из-за засоления земель разливающейся вместе с нефтью пластовой высокоминерализованной водой (обычно хлоридно-натриевого типа с общей минерализацией 13 - 25 г/л). При содержании в почве хлоридов более 0,2% наблюдается выраженное угнетение роста большинства трав. При 0,3-0,35% - общепроективное покрытие травостоем снижается в 1,5-2 раза. При повышении содержания хлоридов в почвенном растворе до 1% и более развитие большинства видов трав невозможно. В таких случаях участок должен быть мелиорирован и многократно промыт проточной водой до снижения концентрации солей в почве. Пример технологии рассоления таких земель приведен в . Выполнение специальных мероприятий по мелиорации и рассолению земель необходимо выполнять только после устранения нефтяного загрязнения участка.
После посева на участке должны вестись длительные наблюдения за ростом трав. По достижении устойчивого (в течение года) нормативного общепроективного покрытия участка, его рекультивация считается завершенной, а участок может быть представлен к сдаче. Дальнейшее самоочищение почвы на участке будет происходить самопроизвольно на протяжении многих лет. При этом рекультивированный участок должен быть обозначен вешками и аншлагами, запрещающими сбор ягод, грибов, сенокошение, выращивание продуктов питания и корма для животных. Снятие этих ограничений возможно только после проведения специальных исследований, подтверждающих экологическую безопасность почв и растительности на участке, что и является достижением конечной цели рекультивации загрязненных нефтью земель.
Заключение
В последнее время на территории месторождений нефти разворачиваются крупномасштабные работы по ликвидации нефтяных разливов и рекультивации загрязненных нефтью земель. Только в Нижневартовском районе в 1995 г. было рекультивировано 251,2 га, а в 1996 г. - З66 га загрязненных земель . Однако, темпы и качество рекультивации явно недостаточны.
Как показали обследования рекультивированных земель в Нефтеюганском и Нижневартовском районах, проведенные по заказу Нижневартовского межрайонного и Ханты-Мансийского окружного комитетов по охране окружающей среды специалистами Тюменской лесной опытной станции, качество рекультивации земель неудовлетворительное .
Основной причиной сложившегося положения является низкая технологическая дисциплина и многочисленные ошибки, а также намеренные упрощения технологии рекультивационных работ.
Наиболее грубой и опасной ошибкой, допускаемой при рекультивации земель, является засыпка разлитой нефти привозным грунтом - песком или торфом. При этом, разлитая нефть выводится из процесса микробиологического окисления, а «рекультивированный» таким образом участок на многия десятилетия становится источником постоянного загрязнения грунтовых и подземных вод.
Второй по значимости серьезной ошибкой является применение бактериальных препаратов без агротехнической обработки земли. Распыленные по поверхности загрязненных участков препараты углеводородокисляющих бактерий с минеральными удобрениями при относительно слабом поверхностном загрязнении действительно очищают от нефти поверхность почв и способствуют самозарастанию травами обработанных участков. Однако нефть, проникшая вглубь почвы, остается не разложенной. И при явном косметическом эффекте в первые месяцы после «рекультивации», через 1-2 года, вследствие гидрофобизации плодородного слоя грунта мигрирующей к поверхности нефтью, первоначально развившаяся растительность полностью или частично гибнет. А участок, фактически, остается нерекультивированным, несмотря на понесенные затраты. Такие методы «рекультивации» Нижневартовским комитетом по охране окружающей среды запрещены.
Наиболее распространенным заблуждением, нашедшим отражение в практике рекультивации нефтезагрязненных земель, является убеждение, что однажды внесенные, даже большие дозы минеральных удобрений обеспечивают высокую активность нефтеокисляющей микрофлоры в течение всего периода рекультивационных работ.
Существенной ошибкой является и оценка эффективности рекультивационных работ по интенсивности роста на них трав в течение первого года, так как оставление значительных количеств нефти в подповерхностных слоях грунта на глубинах 15-50 см, неизбежно приведут к гибели растительности (кроме рогоза и некоторых других трав) через 1-2 года. А загрязнение компонентами нефти почвенных и подземных вод будет продолжаться. Таким образом, ни одна из целей рекультивационных работ не будет достигнута при явном внешнем благополучии на момент завершения работ.
В заключение следует отметить, что назрела необходимость создания на территории Нижневартовского района экспериментального полигона для апробации предлагаемых к внедрению техники и технологии рекультивационных работ. Только апробированные технологии могут быть рекомендованы для широкомасштабных работ по рекультивации земель на месторождениях нефти.
Реализация этой идеи позволит значительно улучшить состояние дел с рекультивацией нефтезагрязненных земель в специфических климатогеографических и ландшафтных условиях месторождений нефти Западной Сибири.
Литература
- Состояние окружающей среды и природных ресурсов в Нижневартовском районе // Ежегодник 1996 г. / Под ред. В.И.Вавера. Нижневартовск, 1997. Вып. 1.
- Современное состояние территории в зоне деятельности ПО «Нижневартовскнефтегаз»: Отчет о работе / Л.В.Михайлова и др. Тюмень, 1993.
- В.И.Вавер. О проблемах оценки ущерба окружающей среде при авариях нефтепромысловых трубопроводов // Материалы окружного совещания
Изобретение относится к восстановлению нефтезагрязненных земель. Способ рекультивации нефтезагрязненных земель заключается в том, что наносят материал на поверхность нефтезагрязненных земель. В качестве материала используют отработанный проппант в виде шариков с плотностью более 10 3 кг/м 3 , которые продавливают нефтезагрязненную почву. Реализация данного способа позволяет повысить эффективность рекультивации нефтезагрязненных земель, а также утилизировать отходы нефтегазовой промышленности.
Изобретение относится к области экологии и может найти применение при восстановлении нефтезагрязненных земель.
Известен способ рекультивации нарушенных почв (RU 2044434 С1), являющийся прототипом предлагаемому способу, включающий укладку на рекультивируемую поверхность грунтов органического субстрата, полученного из обезвоженного ила и коры. После укладки компост засыпают сверху слоем песка или почвы.
Недостатком данного способа является необходимость применения песка или почвы, что увеличивает материальные затраты использования технологии.
Целью предлагаемого способа является повышение эффективности процесса рекультивации нефтезагрязненных земель, а также утилизация отходов нефтегазовой промышленности.
Под отходами нефтегазовой промышленности понимается материал, используемый при гидравлическом разрыве пласта. Данный материал имеет круглую форму в виде шариков с плотностью более 10 3 кг/м 3 .
Наиболее приемлемым материалом является отработанный проппант, который может быть представлен как в виде алюмосиликатного, так и силикатного материала. Часть проппанта после гидравлического разрыва пласта выбрасывается на поверхность и образует отход, который складируется на поверхности кустовых площадок.
Предлагаемый способ рекультивации нефтезагрязненных земель заключается в том, что берут шарики с плотностью более 10 3 кг/м 3 и с помощью известного оборудования наносят на поверхность нефтезагрязненной земли.
Шарики продавливают нефтяную пленку, образуя множество отверстий, чем обеспечивают поступление воздуха и влаги в почву, что ускоряет размножение аборигенных микроорганизмов. В результате происходит деградация нефтезагрязнений и восстановление нарушенных земель.
Способ рекультивации нефтезагрязненных земель, заключающийся в том, что материал наносят на поверхность нефтезагрязненных земель, отличающийся тем, что в качестве материала используются отработанный проппант в виде шариков с плотностью более 10 3 кг/м 3 , которые продавливают нефтезагрязненную почву.
Похожие патенты:
Изобретение относится к области охраны окружающей среды и касается сорбентов, применяемых для очистки почвы и водоемов от различных химических загрязнений, в частности нефти и нефтепродуктов.
Изобретение относится к биотехнологии и предназначено для проведения биоремедиационных мероприятий по очистке от загрязнителей углеводородной природы, в первую очередь от нефти и горючесмазочных веществ.
Изобретение относится к сельскому хозяйству и, в частности, к биологической рекультивации земель, загрязненных отходами химического производства. .
Изобретение относится к области охраны окружающей среды и может быть использовано при аварийных ситуациях, связанных с проливами ракетного топлива: несимметричного диметилгидразина (НДМГ), а также при очистке почвы и грунта в местах падения отделяющихся ступеней ракет-носителей.
Изобретение относится к нефтяной промышленности и экологии и может быть использовано для очистки-рекультивации от загрязнений нефтью и нефтепродуктами почв земель сельскохозяйственного и промышленного назначения в районах Крайнего Севера с применением растений
ЗубайдуллинА.А.
Как известно, большая часть имеющихся в Нижневартовском районе нефтезагрязненных земель приходится на сфагновые верховые болота с мощным слоем торфяной залежи. И именно на этих землях применение традиционных технологий рекультивации и обычных технических средств, как показывает современная практика, не только не приносит положительных результатов, но в ряде случаев даже способствует замедлению начавшихся естественных процессов самовосстановления.
В первую очередь, это обусловлено недооценкой природных особенностей указанных биотопов: их высокой обводненностью, слабонесущей способностью поверхности и, главное, своеобразием почвенно-растительного комплекса, создающими вкупе существенные трудности для применения типовых схем рекультивации нефтезагрязненных земель.
Уточним, что под словом "рекультивация" здесь подразумевается весь комплекс работ, проводимый на нарушенной территории и включающий в себя: сбор и нейтрализацию нефтяной органики, восстановление плодородия почвы и создание стабильного растительного покрова. Следующей наиболее распространенной причиной отрицательных результатов при рекультивации всех без исключения нефтезагрязненных участков, включая и расположенные на верховых болотах, является игнорирование (по незнанию, по меркантильным и другим соображениям) этапности действия природных механизмов разложения нефти на земной поверхности. Для нашего региона выделяют три основных этапа естественного разрушения нефти на земной поверхности (рисунок 1):
I этап - длится в среднем 1,5 года. Здесь преобладают физико-химические процессы, включающие проникновение нефти вглубь почвы, испарение легких фракций, вымывание, окисление атмосферным кислородом и фотохимическое разложение нефтяных углеводородов. Концентрация нефти в почве за этот период снижается на 40-50%.
II этап - длится 3-4 года после окончания первого. Здесь разложение нефти происходит под воздействием почвенных углеводородокисляющих микроорганизмов, численность которых при этом увеличивается в 25 раз. Происходит разрушение метано-нафтеновых фракций, являющихся самыми токсичными компонентами нефти для растений и почвенных животных.
III этап - начинается через 4,5-5 лет после разлива нефти и длится до ее полного разрушения. Этап характеризуется микробиологическим разложением остальной менее токсичной части углеводородов и смолисто-асфальтеновых компонентов, которые образуют на загрязненной поверхности сплошные жесткие корочки - так называемые киры. Фактически, уже в самом начале этапа возможно возобновление некоторых видов растений, устойчивых к повышенному содержанию нефти в грунте. Но их появлению препятствуют киры, которые не позволяют воздуху проникать в корнеобитаемый слой торфа, вызывая своеобразное удушье растений и почвенных животных. С химической точки зрения, полностью процесс естественного разрушения нефти заканчивается не менее чем через 25 лет, однако токсические свойства нефти исчезают уже через 10-12 лет, продукты ее разложения частично включаются в почвенный гумус, частично растворяются и удаляются из почвенного профиля.
Собственные исследования, проведенные в летний сезон 1996г. на территории Ватинского месторождения нефти (ОАО "Славнефть-Мегионнефтегаз"), подтвердили наличие этапности естественной деградации нефти и на загрязненных участках верховых болот. Наблюдения проводились на трех однотипных участках, представляющих биоценоз грядово-мочажинного верхового болота, которые в разное время были подвергнуты нефтяному загрязнению: относительно свежий разлив 1994г., давний - 1989г. и старый - 1985г. Сроки аварий были подобраны с учетом уже указанных этапов физико-химической и микробиологической деструкции нефтяных углеводородов и связанных с ними стадий самовосстановления нарушенных фитоценозов. Однако длительность каждого из них, как показало полевое обследование, в условиях верховых торфяников превышает приведенные (применительно для дренированных участков) в 1,5 - 2 раза, что обусловлено спецификой торфяных болотных почв (низкие внутрипочвенные температуры, недостаток кислорода и минеральных веществ).
Только с учетом всего вышеперечисленного мы можем правильно выстроить ход рекультивационного процесса, оптимально задействуя и используя все существующие природные механизмы самоочищения, и получить значительный эколого-экономический эффект, если этот термин уместен в данном случае. Этот эффект достигается за счет двух показателей:
Существенного сокращения периода очищения и восстановления нарушенных участков до исходных состояний;
Снижения общих материальных затрат на рекультивацию.
Теперь непосредственно о наиболее типичных ошибках допускаемых при проведении рекультивационных работ на нефтезагрязненных участках болот. Сплошь и рядом можно наблюдать, как при ликвидации свежих разливов нефти в первые два года применяются следующие мероприятия:
1) засыпка загрязненных участков песком и торфом,
2) перепахивание или рыхление поверхности сельхозорудиями (бороны, плуги и т.д.) и гусеницами вездеходов,
3) внесение нефтеокисляющих микроорганизмов.
К сожалению, каждое из указанных мероприятий является фактически бесполезной тратой сил и средств с экологической точки зрения. Более того, в большинстве случаев природе оказывается своеобразная "медвежья услуга", в результате которой болотным экосистемам наносится гораздо больший ущерб, нежели непосредственно от самого разлива нефти.
Так, выполнение первых двух мероприятий приводит лишь к временному облагораживанию уродливого пейзажа и достижению приемлемых концентраций нефти в "верхнем" (привозном или вывернутом нижележащем) слое почво-грунтов согласно требований природоохранной инспекции. На самом же деле происходит захоронение и консервация нефти в нижележащих обводненных слоях торфа, где наблюдаются низкие температуры и нехватка свободного кислорода. Например, при движении по нефтезагрязненной поверхности болота тяжелых гусеничных болотоходов типа ГПЛ, "Витязь" и др., происходит продавливание и захоронение нефти в торфяной залежи на глубине до 50 см. А при естественном распределении нефти по поверхности загрязняется в среднем 5-10-ти сантиметровый слой торфяной залежи. Все это выводит остаточную нефть на несколько лет из-под действия естественных физико-химических механизмов разложения (атмосферного кислорода и солнечного света), а следовательно существенно замедляется общий ход восстановления устойчивого почвенно-растительного покрова. При этом также полностью разрушается (засыпается или сдирается гусеницами) существующий растительный покров, который мог бы сохраниться на отдельных повышениях и кочках и быть источником расселения растительности на загрязненных землях в последующие годы.
Нецелесообразным на данном этапе является и применение нефтеокисляющих микроорганизмов (бакпрепаратов), так как большая часть их погибает вследствие острой токсичности свежеразлитой нефти. Кроме этого, в процессы биоразложения в первую очередь вовлекаются более легкие фракции нефти (своеобразные "сливки"), которые и так бы быстро разрушились под воздействием атмосферного кислорода и солнечного света.
Таким образом, ускорять естественные процессы разрушения остаточной нефти и тем самым сокращать время, требуемое для восстановления исходного растительного покрова целесообразно лишь по прошествии полутора-двух лет с момента аварии (на II и III этапах).
Однако это не значит, что свежими разливами не надо заниматься. Просто здесь все усилия необходимо направить на надежную локализацию разлива нефти в пределах минимально возможной площади и сбор максимально возможного количества нефти. Современные технические средства позволяют собирать до 70 %, а при благоприятных природных условиях до 90 % разлитой нефти .
На болотах локализация разливов осуществляется, как правило, либо созданием по периметру разлива мощной торфяной обваловки (используются болотоходы типа "КАРТ"), либо отрыванием направляющих траншей и борозд к общей приемной яме, либо установкой мобильных боновых заграждений (последнее к сожалению не практикуется). Сбор нефти производится с использованием обычной откачивающей техники и специализированных нефтесборщиков. Эффективно на болотах и применение для сбора нефти из межкочковых углублений и других труднодоступных мест ранцевых вакуумных насосов, как отечественного, так и импортного производства. Основным условием должно быть минимальное перемещение техники и людей по рекультивируемой поверхности, особенно, по сохранившимся участкам живой растительности.
Наиболее приемлемым методом для тщательного сбора остаточной нефти, по собственному опыту проведения таких работ, является метод принудительной отмывки почв и растительного покрова от нефти водой. Это достигается либо полным заводнением загрязненного участка на непродолжительный период, либо его периодическим дождеванием поливальными установками (мотопомпы, лесопожарные машины). Эффективность работ по нефтеотмывке участка существенно увеличивает применение разрешенных поверхностно-активных веществ.
При небольших объемах разлитой нефти эффективным мероприятием является использование сорбентов, в частности торфяных матов (удерживающая способность 1 м2 в зависимости от технологии изготовления составляет от 10 до 40 кг нефти при 12-15-тикратном использовании). Такие маты удобны для быстрого развертывания на свежих разливах и, что самое главное, удобны при последующем их сборе для утилизации, в отличие от рассыпных видов сорбентов . Кстати, имеются несложные отечественные технологии массового производства таких матов на местах. Уникальные сорбционные свойства имеет и природный минерал - вермикулит, значительные запасы которого имеются в нашем горном Зауралье.
2.3 Методы биоиндикации и биотестирования почв
Биодиагностика антропогенных изменений относится к экспрессным методам анализа и, кроме того, дает комплексную оценку экологического состояния почвы. Существует множество биологических показателей, с помощью которых оценивается состояние почв. Наиболее важными являются интегральные показатели биологической активности: токсичность, «дыхание», количество свободных аминокислот и белков. Интенсивность дыхания почвы является исключительно вариабельной величиной и зависит от большого количества факторов (температурного режима, влажности, состояния фитоценоза и др.). Для оценки экологического влияния загрязнений необходимо проводить сравнение данных, полученных на разных участках в максимально близких условиях. Информативными являются и другие показатели, например, ферментативная активность.
Попадание нефти и нефтепродуктов в почву приводит к изменению активности основных почвенных ферментов, что влияет на обмен азота, фосфора, углерода и серы (Киреева, Новоселова и др., 2001). Устойчивые изменения в активности некоторых почвенных ферментов могут использоваться в качестве диагностических показателей загрязнения почв нефтью. Удобна для этой цели группа ферментов, объединяемых под общим названием почвенные уреазы. Во-первых, они меньше подвержены воздействию других экологических факторов и, во-вторых, прослеживается четкая зависимость их активности от степени загрязнения почв (Киреева, Водопьянов и др., 2001).
Применение микроорганизмов для оценки интегральной токсичности почвы и создание на их основе комплексной системы чувствительных, достоверных и экономичных биотестов является перспективной областью исследований. Многие физиологические группы почвенных микроорганизмов проявляют чувствительность по отношению к нефтяным углеводородам.
Общая численность микроорганизмов, как правило, достаточно четко отражает микробиологическую активность почвы, скорость разложения органических веществ и круговорота минеральных элементов. На основании данного показателя можно не только судить о степени загрязненности почвы нефтью, но и о ее потенциальной способности к восстановлению, а также о процессах разложения нефти в естественных природных условиях и при рекультивации загрязненных почв (Киреева, 1995).
Нефтяное загрязнение может также способствовать накоплению в почве микроскопических грибов, вызывающих заболевания растений и фитотоксины (Киреева, Кузяхметов и др., 2003). Последнее обстоятельство играет немаловажную роль при разработке мероприятий по фитомелиорации нефтезагрязненных земель.
Непосредственное воздействие нефти на растительный покров в том, что замедляется рост растений, нарушаются функции фотосинтеза и дыхания, отмечаются различные морфологические нарушения, сильно страдают корневая система, листья, стебли и репродуктивные органы. Оперативную информацию о фитотоксичности загрязненной почвы можно получить, используя в качестве тест-объектов семена и проростки растений. Для удобства постановки тестов на токсичность семена подбирают по размерам и скорости их прорастания. Часто используют семена редиса, кресс-салата, кукурузы, зерновых. В качестве тест-функции выступают показатели всхожести семян, дружности и времени появления всходов, скорости удлинения проростков, последний из которых считается наиболее чувствительным.
В природных экосистемах почвенные беспозвоночные широко используются для мониторинга на уровне комплекса видов (Трублаевич, Семенова, 1997).
Набор тест-объектов из семян растений, микроорганизмов, почвенных беспозвоночных и ферментов можно использовать как в полном объеме, так и частично, в зависимости от целевого назначения исследований и степени нефтяного загрязнения почвы. Если пробы с почвенными ногохвостками и активность ферментов дают хорошую количественную характеристику токсичности почвы при низкой и средней степени ее загрязнения, то микробиологические тесты удобны для описания состояния сильнозагрязненных высокотоксичных почв (Киреева, 1995).
3. Методы восстановления нефтезагрязненных почвенных экосистем
Нефтяное загрязнение отличается от многих других антропогенных воздействий тем, что оно дает не постепенную, а, как правило, «залповую» нагрузку на среду, вызывая быструю ответную реакцию. При оценке последствий такого загрязнения не всегда можно сказать, вернется ли экосистема к устойчивому состоянию или будет необратимо деградировать. Во всех мероприятиях, связанных с ликвидацией последствий загрязнения, с восстановлением нарушенных земель, необходимо исходить из главного принципа: не нанести экосистеме больший вред, чем тот, который уже нанесен при загрязнении. Суть восстановления загрязненных экосистем – максимальная мобилизация внутренних ресурсов экосистемы на восстановление своих первоначальных функций. Самовосстановление и рекультивация представляют собой неразрывный биогеохимический процесс.
Естественное самоочищение природных объектов от нефтяного загрязнения - длительный процесс, особенно в условиях Сибири , где долгое время сохраняется пониженный температурный режим. В связи с этим, разработка способов очистки почвы от загрязнения углеводородами нефти – одна из важнейших задач при решении проблемы снижения антропогенного воздействия на окружающую среду.
Классификация методов рекультивации почв, загрязненных нефтью и нефтепродуктами
Рекультивация земель – это комплекс мероприятий, направленных на восстановление продуктивности и хозяйственной ценности нарушенных и загрязненных земель. Задача рекультивации – снизить содержание нефтепродуктов и находящихся с ними других токсичных веществ до безопасного уровня, восстановить продуктивность земель, утерянную в результате загрязнения (Реймерс, 1990). В настоящее время разработан ряд методов ликвидации нефтяных загрязнений почвы, включающие механические, физико-химические, биологические методы (таблица 3.1).
Таблица 3.1 - Методы ликвидации нефтяных загрязнений почвы (Колесниченко, 2004).
|
Способы ликвидации |
Особенности применения |
|
|
Механи-ческие |
Обвалка загрязнения, откачка нефти в ёмкости |
Первичные мероприятия при крупных разливах при наличии соответствующей техники и резервуаров (проблема очистки почвы при просачивании нефти в грунт не решается) |
|
Замена почвы |
Вывоз почвы на свалку для естественного разложения |
|
|
Физико-химические |
Сжигание |
Экстренная мера при угрозе прорыва нефти в водные источники. В зависимости от типа нефти и нефтепродукта уничтожается от 50 до 70% разлива, остальная часть просачивается в почву. Из-за недостаточно высокой температуры в атмосферу попадают продукты возгонки и неполного окисления нефти; землю после сжигания необходимо вывозить на свалку |
|
Предотвращение возгорания |
При разливе легковоспламеняющихся продуктов в цехах, жилых кварталах, на автомагистралях, где возгорание опаснее загрязнения почвы; изолируют разлив сверху противопожарными пенами или засыпают сорбентами |
|
|
Промывка почвы |
Проводится в промывных барабанах с применением ПАВ, промывные воды отстаиваются в гидроизолированных прудах или ёмкостях, где впоследствии проводятся их разделение и очистка |
|
|
Дренирование почвы |
Разновидность промывки почвы на месте с помощью дренажных систем; может сочетаться с использованием нефтеразлагающих бактерий |
|
|
Экстракция растворителями |
Обычно проводится в промывных барабанах летучими растворителями с последующей отгонкой их остатков паром |
|
|
Разливы на сравнительно твёрдой поверхности (асфальт, бетон, утрамбованный грунт) засыпают сорбентами для поглощения нефтепродукта и снижения пожароопасности при разливе легковоспламеняющихся продуктов |
||
|
Термическая десорбция |
Проводится редко при наличии соответствующего оборудования, позволяет получать полезные продукты вплоть до мазутных фракций |
|
|
Биологические |
Биоремедиация |
Применяют нефтеразрушающие микроорганизмы. Необходима запашка культуры в почву. Периодические подкормки растворами удобрений, ограничение по глубине обработки, температуре почвы (выше 15ºС), процесс занимает 2-3 сезона |
|
Фиторемедиация |
Устранение остатков нефти путём высева нефтестойких трав (клевер ползучий, щавель, осока и др.), активизирующих почвенную микрофлору, является окончательной стадией рекультивации загрязнённых почв |
До недавнего времени наиболее распространенным и дешевым методом ликвидации нефтяного загрязнения было простое сжигание. 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 (Гриценко, Акопова, 1997).
Очистка почв и грунтов в специальных установках путем пиролиза или экстракции паром дорогостояща и малоэффективна для больших объемов грунта. Требуются большие земляные работы, в результате чего нарушается естественный ландшафт, а после термической обработки в очищенной почве могут остаться новообразованные полициклические ароматические углеводороды – источник канцерогенной опасности (Пиковский, 1993).
Землевание замедляет процессы разложения нефтяных углеводородов, приводит к образованию внутрипочвенных потоков нефти, пластовой жидкости и загрязнению грунтовых вод. Складирование загрязненной почвы создает очаги вторичного загрязнения.
Качественное удаление нефтяных загрязнителей при высоких уровнях загрязнения зачастую не обходится без применения различного рода сорбентов. Среди возможного сырья для производства сорбентов наиболее привлекательными являются естественное органическое сырье и отходы производства растительного происхождения. К такому сырью относятся торф, сапропели, отходы переработки сельскохозяйственных культур и др. На базе такого сырья разработаны, например, такие сорбенты, как «Сорбест», «РС», «Лессорб» и др. (Колесниченко, 2004).
Существует технология очистки почв и грунтовых вод путем промывания их поверхностно-активными веществами. Этим способом можно удалить до 86% нефти и нефтепродуктов. Применять его в широких масштабах вряд ли целесообразно, так как поверхностно-активные вещества сами загрязняют среду и появится проблема их сбора и утилизации (Пиковский, 1993).
Методы рекультивации, применяемые в зарубежной и отечественной практике, можно условно разделить на четыре группы: физические, физико- химические, химические и биологические.
К физическим методам относятся механическое снятие замазученных и битумизированных слоев почвы, содержащих свыше 5 % углерода нефтепродуктов (Якубов, 1989), сбор нефтепродуктов с поверхности с помощью гидронасоса (Hinchel и др., 1988), смешивание загрязненных почв с чистой почвой для уменьшения содержания нефти и нефтепродуктов (Абдуев, Аскеров, 1979; Ахмедов и др., 1988; Исмаилов, Пиковский, 1988).
Рядом авторов предлагается интенсивно аэрировать нефтезагрязненные почвы, используя при этом глубокую вспашку, рыхление, дискование, боронование (Самосова и др., 1979; Андерсон, Пропадущая, 1979, Аскеров, 1982; Оборин и др., 1988).
Balch Thomas (1993) предлагает интенсивно собирать загрязненную почву в покрытые кучи высотой 4 - 5 м и шириной до 40 м, в основании которых располагается сеть перфорированных труб для подачи горячего воздуха. В результате диффундирования нагретый воздух захватывает углеводороды и летучие органические соединения.
Нasler Anders (1989) рассматривает возможность применения методов очистки путем нагрева почвы до температуры 700°С или с помощью струи воды под высоким давлением. Heimhard Hans-lьrgen (1987) предлагает использовать водно-воздушную струю высокого давления. Weston Roy F. (1998), Matig J., Тrьbenbach G. (1991), Joseph E. Musul (1993) используют технологию нагрева почвы, при этом происходит испарение влаги и органического вещества. Jorgenson Torre М., Krizan Larry W et. al. (1991) разработали поэтапную технологию очистки нефтезагрязненных земель на Аляске. Перед замерзанием почвы нефть удалялась механически и с помощью промывания, летом следующего года почву удобрили, аэрировали, создали определенную влажность, что способствовало благоприятным условиям для разложения нефти. В результате этих мероприятий произошло снижение содержания углеводородов нефти на 94 % от начального.
Физико-химические методы предполагают применение специально подобранных поверхностно-активных веществ (диспергаторов, дезмульгаторов и т.д.) вспомогательных веществ, влияющих на изменение состояния и коллоидно-дисперсной структуры взвешенных частиц в нефтяной и водной фазах.
Для очистки больших территорий, загрязненных вредными техногенными соединениями, предлагается использовать широко распространенные природные сорбенты органического происхождения (торф, мох, чернозем, уголь), глины и глинистые материалы с высокой емкостью поглощения по отношению к загрязнителям.
Hasler Anders (1989) предлагает обжиг загрязненных почв с одновременным добавлением в них вяжущих веществ, после термообработки образующийся конгломерат используется как строительный материал, a Rez D.H. (1993) использует для обезвреживания жидких и твердых углеводородов портландцемент, при этом углеводород изолируется от соприкосновения с окружающей средой.
Punt и др. (1991) предлагают экстракцию загрязняющих почву нефтепродуктов перегнанной фракцией природного конденсата и гексана, а Bulman и др. (1993) и Greiner D (1994) -- химическое насыщение почвы кислородом для восстановления ее биологической активности. Hinchel R.E., Downey D.C. и др. (1998) показали возможность использования закачки воды, обогащенной кислородом или содержащей перекись водорода.
Большая роль в ускорении разложения нефти и нефтепродуктов в почве принадлежит минеральным и органическим удобрениям (Самосова и др., 1979; Демиденко и др., 1983; Абзалов и др., 1988; Гайнутдинов и др., 1988, Тишкина, 1990).
Особенно важно применение азотных удобрений, т.к. в почве при нефтяном загрязнении вносится большое количество С, резко изменяя соотношение C:N. Для нормального развития микроорганизмов требуется на 1 часть азота 10 частей углерода, в грязных до 400 - 420 (Odu, 1978).
Биологический метод - является наиболее эффективным и экологическим методом рекультивации нефгезатрязненных почв. Они включают в себя использование биопрепаратов и биостимуляторов для деградации нефти и нефтепродуктов.
В разложении нефти в почве главное и решающее значение имеет функциональная активность комплекса почвенных микроорганизмов, обеспечивающих полную минерализацию нефти и нефтепродуктов до углекислого газа и воды. Основной вклад в этот процесс вносят микроорганизмы, способные использовать углеводороды в качестве единственного источника органического вещества и энергии. Тип почвы, ее минеральный и органический состав, влажность, аэрированность, температура также влияют на скорость деградации углеводородов нефти. На основании способности микроорганизмов использовать углеводороды нефти и других ксенобиотиков предложен метод биокоррекции загрязнений, который включает следующие подходы:
- 1) активацию деградирующей способности микрофлоры, естественно содержащийся в загрязненной почве, путем внесения биогенных элементов, кометаболизируемых субстратов, кислорода - биостимуляция;
- 2) интродукцию в загрязненную почву специализированных микроорганизмов, предварительно выделенных из различных загрязненных источников или генетически модифицированных - биодополнение.
С помощью биологического метода, основанного па применении природных штаммов микроорганизмов, за 3 года рекультивации можно полностью восстановить плодородие нефтезагрязненных почв при уровне загрязнения, не превышающем 10--15% сырой нефти к массе почвы. В случае более высоких концентраций загрязняющих веществ биовосстановление целесообразно комбинировать с физическими и физико-химическими методами очистки.
Видовое разнообразие нефтеокисляющих бактерий велико. На основе штаммов различных бактерии и их ассоциаций созданы весьма эффективные биопрепараты - Родотрин, Экойл, Путидойл и т.д.
Рассмотренные ниже физико-химический и химический методы являются и определенной степени симулирующими. Биостимулирующими служат также различные пищевые добавки и поверхностно-активные вещества (ПАВ), отходы дрожжевого производства, рыбная мука, молочная сыворотка, отходы белково-витаминного комбината, активный ил, азот, фосфор и калий минеральных удобрений, традиционный навоз и даже, как показали исследования Н.А. Киреевой, жидкие стоки животноводческих комплексов и другие сточные воды, которые утилизируются на земледельческих полях орошения.
Известна роль дождевых червей в разложении нефти. Кибардиным и др. (1989) показано, что дождевые черви заглатывают нефть в почве и делают ее доступной для микроорганизмов.
Посев в нефтезагрязненную почву люцерны и других бобовых культур, трав с разветвленной корневой системой способствуют ускорению разложения углеводородов (Алиев и др., 1977; Gudin, Syratt, 1975; Lee Eusiand, 1993). Положительное воздействие посевов сельскохозяйственных растений, и в частности многолетних трав, объясняется тем, что своей развитой корневой системой они способствуют улучшению газовоздушного режима загрязненной почвы, обогащают почву азотом и биологическими активными соединениями, выделяемыми корневой системой в почву в процессе жизнедеятельности растений. Все это стимулирует рост микроорганизмов и соответственно ускоряет разложение нефти и нефтепродуктов. В этой связи нельзя не учитывать также возможность самих растений подвергать разложению различные классы нефтяных углеводородов (Угрехелидзе, 1976) или адсорбировать их (Cunningham Scott и др., 1995) .
