Нефть, как смесь углеводородов разных классов (алканы, цикланы и арены) может поступать в почву, вследствие аварийных ситуаций, возникающих при ее добыче и транспортировке. Как показывают наблюдения количество подобных ситуаций нельзя планировать, а избежать их на 100% практически невозможно [1]. При этом нефть из загрязненной почвы мигрирует в подземные воды по порам горизонтов (пустотам, трещинам и полостям), слагающих почвенный профиль. Далее нефть осаждается в зонах капиллярной каймы и сезонного подъема подземных вод и растекается по их поверхности [2]. При поступлении нефти в подземные воды, портятся вкусовые качества питьевой воды уже при содержании выше 0,1 мг/л. Именно эта величина представляет собой предельно допустимую концентрацию (ПДК) нефти в воде, установленную по так называемому органолептическому лимитирующему показателю вредности, характеризующему изменение запаха и вкуса воды в присутствии данного вещества. Однако вода загрязняется не только нефтью, но и содержащимся в последней канцерогенным соединением - бенз(а)пиреном (C20H12), количество которого в зависимости от нефтяного месторождения может колебаться в пределах 240-8050 мкг/кг, что чревато тяжелыми последствиями для здоровья человека [3]. Так, исследованиями [4], была установлена прямая корреляционная связь между загрязнением питьевой воды бенз(а)пиреном нефтяного происхождения и заболеваемостью местного населения раком пищевода в бассейне р. Урал. Поэтому в настоящее время большое значение придается защите подземных вод от загрязнения нефтью, так как доля использования этих вод в водоснабжении населения страны достаточно велика и составляет 46% [5].
Основная цель настоящей работы состояла в решении проблемы защиты подземных вод от загрязнения нефтью, мигрирующей из почвы. Актуальность рассматриваемой проблемы показана рядом примеров аварийного загрязнения почвы нефтью в различных регионах страны. Рассмотрены представленные в литературе некоторые способы защиты подземных вод от загрязнения нефтью, а также разработанный авторами способ предотвращения миграции нефти в подземные воды из загрязненных тундровых почв и пример его реализации в Ямало-Ненецком автономном округе
Примеры аварийного загрязнения почвы нефтью в различных регионах страны
Насколько актуально решение проблемы защиты подземных вод от загрязнения нефтью, мигрирующей из почвы, свидетельствует ряд примеров аварийных ситуаций, возникающих вследствие транспортировки вещества по трубопроводам и имевших место за последнее время в различных регионах страны. Так, в Саратовской области вследствие разгерметизации нефтепровода произошел разлив нефти на почву с общей площадью загрязнения 600 м2 [6]. В Свердловской области из-за несанкционированной врезки в нефтепровод разлилась более 10 т нефти с площадью загрязнения почвы 2755 м2 [7]. В Удмуртской Республике в результате порыва внутрипромыслового напорного нефтепровода случился разлив нефти на почву с площадью загрязнения 826 м2 [8]. В Оренбургской области вследствие также несанкционированной врезки в магистральный нефтепровод произошла утечка нефти на почву с площадью загрязнения 445 м2 [9]. Позднее, также в Оренбургской области из-за порыва нефтепровода произошел разлив нефти с площадью загрязнения почвы 0,8 га [10].
При данных ситуациях неизбежен риск миграции нефти из загрязненной почвы в подземные воды по порам горизонтов, слагающих почвенный профиль. Однако какие же известны, на сегодняшний день, способы защиты подземных вод от загрязнения нефтью?
Некоторые способы защиты подземных вод от загрязнения нефтью
Так, при строительстве нефтепроводов, в одном из способов предлагается создать противофильтрационный барьер, предотвращающий нисходящую миграцию нефти в почве [11]. С этой целью в верхний слой почвы вносят минеральные и/или органические сорбенты, обладающие высокими водоудерживающими свойствами (цеолиты, глины или доломиты, торф, целлюлоза, лигнин, древесные опилки, измельченная кора, солома, растительная биомасса или резиновая крошка) с последующим увлажнением вносимой среды до состояния полевой влагоемкости. При этом минеральные сорбенты вносят в количестве до 33% от массы сухой почвы в виде смеси с почвой слоем 20-25 см, а органические сорбенты вносят отдельным слоем толщиной 5-20 см, располагающимся под слоем почвы или ее смеси с минеральным сорбентом толщиной 5-20 см. В другом способе [12], при добыче нефти и с целью ограничения ее миграции, по контуру очага возможного загрязнения строят сетку скважин с управляемым межтрубным и затрубным пространством (компаунд-скважины), расстояние между которыми и количество ступеней выбирают в зависимости от пористости и проницаемости горных пород. Ступени компаунд-скважин располагают перпендикулярно направлению движения естественного потока подземных питьевых вод. Далее осуществляют закачку растворов нейтрализующих реагентов через межтрубное и затрубное пространство компаунд-скважин одновременно с добычей нефти и газа из продуктивного пласта. И, наконец, в третьем способе [13], в условиях скважинной разработки нефти и газа, после определения области загрязнения в водоносном пласте с питьевой водой, осуществляют закачку очищающей воды через нагнетательные скважины, а также отбор проб воды для контроля ее качества. При сооружении скважины для отбора загрязненной воды бурением дополнительно вскрывают глубинный нижележащий утилизационный слой, в который направляют загрязненную воду. Одновременно создают депрессию на загрязненном пласте и репрессию на утилизационном пласте. При этом нагнетательные скважины сооружают за контуром загрязнения пласта.
Существенными недостатками представленных здесь способов являются технологическая сложность выполнения, а также высокая стоимость их реализации и эксплуатации. Предлагаемый нами способ предотвращения миграции нефти в подземные воды из загрязненных тундровых почв имеет целый ряд принципиальных отличий, что позволило его защитить патентом Российской Федерации на изобретение № 2692616 [14].
Способ предотвращения миграции нефти в подземные воды из загрязненных тундровых почв
В описываемом способе для предотвращения миграции нефти в подземные воды из загрязненной почвы используется торф, что не случайно, так как это природное образование вследствие развитой поверхности и наличия углеводородокисляющих микроорганизмов может служить как сорбентом нефти, так и ее деструктором [15]. Так, сорбционная емкость торфа по отношению к нефти составляет 6-10 г нефти на 1 г сухого вещества торфа, а численность углеводородокисляющих микроорганизмов в нем в 4-5 раз превышает аналогичный показатель для почв.
Данный способ предотвращения миграции нефти в подземные воды из загрязненной почвы с помощью торфа можно реализовать по следующим последовательно выполняемым этапам технической задачи, это:
1. Выделение и оконтуривание загрязненного нефтью участка, а в нем отдельной контрольной площадки, составляющей 1/10 размера участка; отбор с этих двух объектов с помощью почвенного бура с учетом глубины миграции нефти в почву ее проб методом «конверта», то есть из 5 условных точек, расположенных по углам и в середине участка для составления одного усредненного образца почвы путем перемешивания; места отбора проб почвы отмечают вешками во избежание повторного ее отбора с одной и той же условной точки.
2. Аналогичный отбор на близлежащем незагрязненном участке проб почвы из верхнего гумусово-аккумулятивного горизонта для анализа ее гранулометрического состава пирофосфатным методом [16]; идентификация по специальной таблице [17] соотношения торф:почва в зависимости от гранулометрического состава почвы; расчет необходимого для внесения количества торфа на загрязненный участок, исходя из общей площади загрязнения и глубины миграции нефти в почву; на этом этапе в почву контрольной площадки торф не вносят; далее оперативная поставка торфа для ремедиации загрязненного участка; внесение торфа путем равномерного его распределения по всей поверхности участка и перемешивания с загрязненным слоем почвы.
3. Определение в образцах почвы из загрязненного участка и контрольной площадки исходной концентрации нефти y0 (г/кг) методом инфракрасной спектрометрии, путем извлечения из почвы нефти четыреххлористым углеродом (CCl4) в экстракторе (Экрос-8000); далее полученный экстракт отстаивают и пропускают через хроматографическую колонку с оксидом алюминия (Al2O3) и на концентратомере определяют содержание углеводородов нефти в почве [18].
4. Параллельный отбор на загрязненном участке и контрольной площадке через каждые 10 суток образцов почвы для сравнительного определения в них остаточной концентрации нефти y (г/кг), вплоть до выявления статистически доказанной тенденции по снижению ее концентрации в почве на момент времени t.
5. Определение методом математического прогнозирования времени tОДК достижения ориентировочно допустимой концентрации нефти yОДК для почвы по формуле экспоненциальной зависимости y = y0 ` e-kt, где y – остаточная концентрация нефти в почве на момент времени t; y0 – исходная концентрация нефти; e – основание натурального логарифма ln; k – константа скорости разложения нефти в почве, которую вычисляют по формуле:
k = ln (y0 / y) / t (1)
Вычисление tОДК нефти в почве производят по формуле:
tОДК = ln (y0 / yОДК) / k = t ` [ln (y0 / yОДК) / ln (y0 / y)] (2)
После завершения процедуры математического прогнозирования в почву контрольной площадки также вносят торф и в том же соотношении, что и на загрязненный участок с последующей заделкой и перемешиванием с загрязненным слоем почвы для предотвращения миграции нефти в подземные воды, что позволяет считать поставленную техническую задачу полностью выполненной.
Пример реализации способа предотвращения миграции нефти в подземные воды из загрязненной тундровой почвы
Нами оценивалось загрязнение тундровой почвы из Ямало-Ненецкого автономного округа (67○15' с. ш., 74○40' в. д.), произошедшего в результате аварийной ситуации и определялось количество торфа для внесения в почву по результатам предварительного анализа гранулометрического состава незагрязненной почвы, которая оказалась тяжелым суглинком. После определения исходной концентрации нефти (y0 ~50 г/кг почвы) спектрометрическим методом и внесения расчетного количества торфа в почву (торф:почва, 1:7) осуществляли мониторинг остаточной концентрации y нефти в почве загрязненного участка, а также контрольной площадки (без внесения торфа), путем отбора образцов почвы и анализа содержания в них углеводородов нефти через каждые 10 суток. На 40 сутки от начала наблюдения была установлена статистически доказанная тенденция снижения концентрации нефти в почве загрязненного участка после внесения торфа. Далее, используя исходную концентрацию нефти y0 и остаточную концентрацию нефти y в почве на момент времени t, была вычислена константа скорости разложения нефти в почве k по формуле (1), и рассчитано время tОДК достижения ориентировочно допустимой концентрации нефти yОДК по формуле (2). Ориентировочно допустимая концентрация нефти в тундровых почвах, согласно [1], составляет 0,7 г/кг [1]. Между тем прогнозирование показало, что внесение торфа в загрязненную почву позволяет снизить tОДК нефти в 1,8 раза по сравнению с вариантом без торфа, т.е. под действием торфа разложение нефти ускоряется в 1,8 раза (таблица 1). После завершения процедуры математического прогнозирования в почву контрольной площадки также вносили торф и в том же соотношении, что и на загрязненный участок, и это позволило считать поставленную техническую задачу полностью выполненной.
при внесении торфа на загрязненный участок в соотношении торф:почва - 1:7
в зависимости от гранулометрического состава почвы
|
Вариант |
k, сут-1 |
tОДК, сут |
|
Контрольная площадка, нефть (почва) |
0,014 |
305 |
|
Участок, нефть (торф:почва, 1:7) |
0,025 |
171 |
Заключение
Таким образом, проблема защиты подземных вод от загрязнения нефтью, поступающей из почвы может достаточно успешно решаться представленным здесь способом, защищенным патентом Российской Федерации на изобретение № 2692616. Суть данного способа заключается в использовании торфа путем его внесения в загрязненную почву в количестве с учетом ее гранулометрического состава, далее установления по результатам спектрометрического анализа статистически доказанной тенденции снижения концентрации нефти в почве после внесения торфа и последующего математического прогнозирования срока предотвращения миграции нефти в подземные воды.
Литература
1. Пиковский Ю.И., Геннадиев А.Н., Чернянский С.С., Сахаров Г.Н. Проблема диагностики и нормирования загрязнения почв нефтью и нефтепродуктами // Почвоведение. 2003. № 9. С. 1132-1140.
2. Жолдакова З.И., Беляева Н.И. Опасность загрязнения водных объектов при нефтедобыче // Гигиена и санитария. 2015. Т. 94. № 1. С. 28-31.
3. Серковская Г.С. Содержание бенз-α-пирена в образцах товарных нефтей // Химия и технология топлив и масел. 2011. № 3. С. 56.
4. Белякова Т.М., Дианова Т.М., Трефилова Н.Я. Геоэкологическое изучение ландшафтов бассейна реки Урал в связи с заболеваемостью населения раком // Проблемы биогеохимии и геохимической экологии. 2006. № 1 (1). С. 183-191.
5. Эльпинер Л.И. Современные медико-экологические аспекты учения о подземных водах // Гигиена и санитария. 2015. Т. 94. № 6. С. 39-46.
6. Дмитревская Е.С., Красильникова Т.А., Маркова О.А. О загрязнении природной среды и радиационной обстановке на территории Российской Федерации в апреле 2018 г. // Метеорология и гидрология. 2018. № 7. С. 120-127.
7. Дмитревская Е.С., Красильникова Т.А., Маркова О.А. О загрязнении природной среды и радиационной обстановке на территории Российской Федерации в мае 2018 г. // Метеорология и гидрология. 2018. № 8. С. 116-122.
8. Дмитревская Е.С., Красильникова Т.А., Маркова О.А. О загрязнении природной среды и радиационной обстановке на территории Российской Федерации в феврале 2019 г. // Метеорология и гидрология. 2019. № 5. С. 107-111.
9. Дмитревская Е.С., Красильникова Т.А., Маркова О.А. О загрязнении природной среды и радиационной обстановке на территории Российской Федерации в апреле 2019 г. // Метеорология и гидрология. 2019. № 7. С. 124-130.
10. Дмитревская Е.С., Красильникова Т.А., Маркова О.А. О загрязнении природной среды и радиационной обстановке на территории Российской Федерации в мае 2019 г. // Метеорология и гидрология. 2019. № 8. С. 122-127.
11. Бреус И.П., Бреус В.А., Неклюдов С.А. Способ защиты почв и грунтовых вод от загрязнения нефтью и нефтепродуктами. Патент Российской Федерации на изобретение № 2361041. Опубликовано 10.07.2009. Бюллетень № 19.
12. Калмыков Г.И., Галимов Т.Х., Нугаев Р.Я. и др. Способ очистки подземных питьевых вод при добыче нефти. Патент Российской Федерации на изобретение № 2247195. Опубликовано 27.02.2005. Бюллетень № 6.
13. Бикбулатов И.Х., Айдашов Н.Ф., Шаяхметов Ш.К., Бикбулатов И.И. Способ ликвидации загрязнения подземных вод. Патент Российской Федерации на изобретение № 2107129. Опубликовано 20.03.1998.
14. Арно О.Б., Арабский А.К., Башкин В.Н., Галиулин Р.В., Галиулина Р.А., Соловищук Л.А., Линник А.И. Способ предотвращения миграции нефти в подземные воды из загрязненных тундровых почв. Патент Российской Федерации на изобретение № 2692616. Опубликовано 25.06.2019. Бюллетень № 18.
15. Алексеева Т.П., Бурмистрова Т.И., Терещенко Н.Н., Стахина Л.Д., Панова И.И. Перспективы использования торфа для очистки нефтезагрязненных почв // Биотехнология. 2000. № 1. С. 58-64.
16. Концентратомер нефтепродуктов ИКН-025. Руководство по эксплуатации. Санкт-Петербург, 2005. 13 с.
17. Кауричев И.С., Панов Н.П., Стратонович М.В., Гречин И.П., Савич В.И., Ганжара Н.Ф., Мершин А.П. Практикум по почвоведению. М.: Колос, 1980. 272 с.
18. Арно О.Б., Арабский А.К., Башкин В.Н., Галиулин Р.В., Галиулина Р.А., Маклюк О.В., Припутина И.В. Способ контроля эффективности рекультивации нарушенных тундровых почв различного гранулометрического состава посредством анализа активности дегидрогеназы. Патент Российской Федерации на изобретение № 2491137. Опубликовано 27.08.2013. Бюллетень № 24.
Keywords: oil, soil, contamination, underground waters, methods of protection.
