Классификация нефтешламонакопителей и прогнозирование процесса биодеструкции отходов при их ликвидации тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.00.16, кандидат технических наук Ермаков, Василий Васильевич

• Ермаков, Василий Васильевич
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Ермаков, Василий Васильевич

Введение

1. Анализ проблемы переработки нефтешламов и возможных путей ее решения

1.1. Источники возникновения нефтесодержащих отходов и их воздействие на окружающую природную среду

1.2. Накопители нефтесодержащих отходов и классификация шламов

1.3. Технологии переработки нефтешламов

1.3.1. Физические методы ^

1.3.2. Физико-химические и химические методы

1.3.3. Биохимические методы

2. Экспериментальная часть. Объекты и методы исследований

2.1. Обследование накопителей углеводородсодержащих отходов и химический анализ нефтешламов.

2.2. Изучение процесса биодеструкции нефтешламов. ^

3. Результаты обследования накопителей углеводородсодержащих отходов

3.1. Кластерный анализ состояния нефтешламонакопителей Самарской области

3.2. Хемометрическая модель состояния нефтешламонакопителей Самарской области

3.3. Общая оценка состояния нефтешламонакопителей Самарской области

3.4. Классификация накопителей нефтешламовых отходов

4. Исследование процесса биодеструкции нефтешлама в полевых условиях

4.1. Термогенез биодеструкции нефтешлама

4.2. Кинетические закономерности процесса

4.3. Технико-экономическое обоснование биодеструкции нефтешлама в полевых условиях

4.3.1. Расчёт стоимости нефтешлама ^

4.3.2. Оценка стоимости работ по переработке нефтешлама и доведения его до норм экологической безопасности ^ ^^

Выводы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Классификация нефтешламонакопителей и прогнозирование процесса биодеструкции отходов при их ликвидации»

Человечество потребляет огромное количество полезных ископаемых, особое место среди них принадлежит нефти. Высокий рост добычи (в среднем на 5,5 % в год) и переработки нефти во всем мире приводят к тому, что уровень загрязнения окружающей среды нефтепродуктами в настоящее время приобретает глобальный характер.

Нефтесодержащие отходы образуются на всех этапах добычи и переработки нефти: бурение, добыча, подготовка, транспортировка, переработка, использование нефтепродуктов. Это обусловлено как несовершенством техники, технологии, так и человеческим фактором. Из трехсот млн. т нефти, добываемой в России, ежегодно при добыче, транспортировке и хранении теряется ориентировочно 1,5 %, т. е. по самым минимальным оценкам около 4,5 млн.т в год [8]:

Накопление отходов, как правило, осуществляется на специально отведенных для этого площадках или в шламонакопителях. Подавляющее большинство накопителей появилось в 40-80-гг прошлого века, когда нормативная база в области проектирования, строительства и эксплуатации объектов размещения отходов находилась в самом начале организационного становления. В связи с этим, большая часть накопителей сооружена без соблюдения природоохранных требований. Накопители крупных нефтепромышленных комплексов занимают десятки гектаров выведенных из хозяйственного использования территорий и представляют собой объекты существенной экологической, пожарной и санитарно-гигиенической опасности. Происходящие со временем в теле отхода изменения не позволяют классифицировать их по исходному шламу. Этим обусловлена необходимость создания системы классификации накопителей, учитывающей свойства как самого отхода, так и условия его хранения. Она позволит наиболее эффективно проводить работы по утилизации нефтешламов.

Проблема переработки нефтесодержащих отходов очень актуальна и остаётся целый ряд нерешённых вопросов. Не смотря на то, что существует достаточно много методов переработки или обезвреживания данных отходов, эти методы дороги и не достаточно эффективны. Выбор метода переработки и обезвреживания нефтесодержащих отходов, в основном, зависит от количества содержащихся в отходе нефтепродуктов.

В качестве основных методов обезвреживания и переработки данных отходов практически используются термические методы обезвреживания, методы биологической переработки, физико-химические и химические методы.

В настоящее время все более широкое применение в нашей стране и за рубежом находят биологические методы обезвреживания и переработки нефтесодержащих отходов. Технология биологического обезвреживания -один из наиболее практичных и эффективных по стоимости методов обращения с нефтесодержащими отходами. Кроме того, биологические методы является наиболее экологически чистыми, но область их применения ограничивается конкретными условиями применения: диапазоном активности биопрепаратов, температурой, кислотностью, толщиной нефтяного загрязнения, аэробными условиями. Они являются так же завершающей стадией комплексной переработки нефтесодержащих отходов. Основная часть исследований данных методов производилась в искусственно создаваемых или значительно регулируемых условиях. Реальные работы, проводимые при обезвреживании нефтяных отходов часто существенно отличаются от экспериментальных, так как с целью снижения их стоимости применяются наиболее дешёвые материалы. Контроль процесса сводится к минимуму и из рабочего цикла могут быть удалены некоторые стадии.

Исследование процесса биологического обезвреживания на реальном объекте может позволить создать математическую модель, которая ляжет в основу решения по оптимизации работ.

Целью работы является снижение техногенной нагрузки на окружающую среду путём ликвидации нефтешламонакопителей и классификация этих объектов.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- определить источники образования нефтешламонакопителей, их воздействие на окружающую среду, способы переработки нефтешламов.

- определить параметры различных накопителей и составы отходов значимые для проведения ликвидационных и рекультивационных работ, определить параметры процесса биологической деструкции нефтесодержащих отходов, значимых для моделирования;

- классифицировать нефтешламонакопители на основе группировки и определения взаимосвязей параметров накопителей и отходов с применением многомерного анализа данных, изучить динамику состава отходов с течением времени при контакте с окружающей средой

- изучить и смоделировать кинетические особенности биодеструкции нефтесодержащих отходов в полевых условиях при ликвидации нефтешламонакопителей.

Научная новизна:

1. Предложена научно обоснованная классификация нефтешламонакопителей, включающая блоки функционального назначения, конкурентного географического положения, возраста, геометрических параметров, объёма накопленных отходов и физико-химических характеристик объектов.

2. Впервые предложено использовать хемометрический метод главных компонент для описания состояния объектов накопления нефтесодержащих отходов, позволяющий выявить основные взаимосвязи характеристических особенностей этих объектов.

3. Установлена динамика изменения состава органической части верхнего слоя нефтешлама при контакте с окружающей средой. Показано снижение относительного содержания дизельной фракции примерно в 2 раза в течение первого года.

4. Определены кинетические характеристики процесса биодеструкции нефтесодержащих отходов при ликвидации нефтешламонакопителей в полевых условиях с использованием совмещённого уравнения Аррениуса и модели Андрюса.

Практическая значимость

1. Предложенная классификация нефтешламонакопителей позволяет оптимизировать выбор способа ликвидации и рекультивации, определить необходимые мощности установок по переработке нефтесодержащих отходов и принять другие проектные решения.

2. Получены исходные данные о составе и структурных элементах групп нефтешламонакопитей, которые могут использоваться для оценки рентабельности ликвидационных и рекультивационных работ.

3. Результаты изучения процесса биологического обезвреживания и полученные кинетические характеристики могут быть использованы для прогнозирования хода биодеструкции нефтесодержащих отходов (скорости, времени окончания работ, конечного результата) при ликвидации нефтешламонакопителей и совершенствования проектной и технологической документации предприятий - переработчиков.

4. Материалы диссертации предложено использовать в учебном процессе СамГТУ студентами специальности «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов» и слушателями факультета повышения квалификации.

Заключение диссертации по теме «Экология», Ермаков, Василий Васильевич

Выводы

1. Определен качественный и количественный состав нефтесодержащих отходов различных типов, содержащихся в накопителях Самарской области. Определена структура и свойства накопителей нефтешламов. Выявлены диапазоны варьирования параметров. Выявлено снижение отношения содержания дизельной фракции в верхних слоях накопителей в первый летний период после образования нефтешлама в 2 раза. Показано, что большинство накопителей содержат от 2500 до 5000 тонн отходов.

2. С применением методов многомерного анализа данных (кластерный анализ и метод главных компонент) выявлены взаимосвязи структурных (толщины слоев) и содержательных характеристик (состав отхода) нефтешламонакопителей, позвоялющие проводить их дифференциацию или объединение в группы по географической (север-юг в зависимости от температуры воздуха) и функциональной принадлежности.

3. Предложена научно обоснованная классификация нефтешламонакопителей, позволяющая оптимизировать выбор способа переработки нефтешлама и алгоритм рекультивационных работ при ликвидации одного или группы техногенных массивов.

4. Определены эффективные кинетические параметры биодеструкции нефтешлама в полевых условиях. Максимальная удельная скорость процесса при оптимальной температуре в теле бурта и максимальной концентрации не вызывающей угнетение микрофлоры, составляет |im = 0,020 сут-1.

Удельный экономический эффект биохимического способа переработки нефтешлама при ликвидации нефтешламонакопителя с учётом снижения экологических платежей составляет 3,5 тыс.руб./т.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Ермаков, Василий Васильевич, 2010 год

1. Айвазян, С.А., Енюков, И.С., Мешалкин, Л.Д. Прикладная статистика. Исследование зависимостей Текст.: С.А. Айвазян, И.С. Енюков, Л.Д. Мешалкин. - М.: изд-во МГУ, 1985. - 130 с.

2. Бакастова Н.В. Решение проблем по переработке нефтешламов методом центробежной сепарации / Н.В. Бакастова // Экологическая и промышленная безопасность. -2005. №3 С. 36-37.

3. Берне Ф., Кордонье Ж. Водоочистка сточных вод нефтепереработки. М.: Химия, 1997.-288 с.

4. Биккинина А.Г. Биорекультивация промышленных отвалов отбелевающей земли, содержащей нефтепродукты / А.Г. Биккинина, О.Н. Логинов, Н.Н. Силищев и др. // Экология и промышленность России -2007. №2 С. 8-9.

5. Браун Д., Флойд А., Сейнзбери М. Спектроскопия органических веществ./ Пер. с англ. М.: Мир, 1992. - 300 с.

6. Бурлака В.А. Методы восстановления плодородия почв. В сборнике: Доклад управления Россельхознадзора по Самарской области, 2006 г., с. 76-81.

7. Быков Д.Е. Комплексная многоуровневая система исследования и переработки промышленных отходов. Монография. Самара, 2003 г.

8. Возная Н.Ф. Химия воды и микробиология. М.: Химия, 1979. - 340 с.

9. Н. Г. Гладышев Быков Д. Е., Мешалкин В. П., Шишканова А. А. Эколого-логистический аудит. Экология и промышленность России Текст. : ежемес. обществ, науч.- техн. журн./ РАН и др. -М. : Экология и промышленность России . 2006г. N 11- С.32-35

10. Краткий справочник по химии Гороновский И.Т., Назаренко Ю.П., Некряч Е.Ф., изд. 5, «Наукова думка», Киев, 1987 г.С. 404-405

11. Григорьев М. Такая разная нефть / М. Григорьев // Нефть России. 2003. -№6. - с. 33-36.

12. Гринин, А.С., Орехов, Н.А., Новиков, В.Н. Математическое моделирование в экологии Текст.: А.С. Гринин, Н.А. Орехов, В.Н. Новиков. М.:ЮНИТИ-ДАНА, 2003.-269 c.-ISBN 5-238-00440-0.

13. Д.С. Дворецкий, С.И. Дворецкий, Е.И. Муратова, А.А. Ермаков. Компьютерное моделирование биотехнологических процессов и систем. Учеб. пособие. Изд-во Тамб, гос. техн. ун-та, 2005. 80 с.

14. Евлахов С.К. Банк качества нефти: результаты испытаний / С.К. Евлахов, Н.А. Козобкова// «Трубопроводный транспорт нефти». 2004. - № 12. -. 1315.

15. Емцев В.Т. Новый микробный препарат "Псевдомин" для рекультивации почв, загрязненных нефтепродуктами / В.Т. Емцев, О.В. Селицкая, В.Г. Алехин // Тез. докл. Всерос. конф. "Микробиология почв и земледелие", -Спб,- 1998.-С. 133.

16. Жаров О.А. Современные методы переработки нефтешламов / О.А. Жаров, B.JI. Лавров // Экология производства, -2004. №5. С. 43-51

17. Ибатуллин P.P. Исследование свойств нефтешламов и способы их утилизации / P.P. Ибатуллин, И.И. Мутин, Н.М. Исхакова, К.Г. Сахабутдинов // Экологическая и промышленная безопасность. -2006. №11 -С. 116-118.

18. Ибатуллин, Р. Р. Исследование свойств нефтешламов и способы их утилизации / Р. Р. Ибатуллин, И. И. Мутин, Н. М. Исхакова, К. Г. Сахабутдинов // Нефтяное хозяйство. 2006. - № 11. - С. 116-118.

19. Кисин Д.В., Препараты серии "Биодеструктор" эффективные средства для ликвидации нефтяных загрязнений / Д.В. Кисин, А.И. Колесов // Нефтяное хозяйство. -1995, №5-6. С. 83-85.

20. Статистический словарь / Гл. ред. М.А.Королев. М.: Финансы и статистика, 1989.-623с.: ил.

21. Лебедев Н.Н., Манаков М.Н., Швец В.Ф. Теория технологических процессов основного органического и нефтехимического синтеза. -М.: Химия, 1975. -412 с.

22. Лейте В. Определение органических загрязнений питьевых, природных и сточных вод. -М.: Химия, 1975.

23. МазловаЕ.А., Мещеряков С.В. Проблемы утилизации нефтешламов и способы их переработки. М.: Издательский дом «Ноосфера», 2001. - 56 с.

24. МакМиллен С., Смарт Р., Берне Р. Хоффман Р. «Биологическое обезвреживание нефтесодержащих отходов: Уроки полученные за 1992-2002 г.» ChevronTexaco Corporate Responsibility Report 2002

25. Малкин В.П., Кузин В.И. Промывочно-пропарочные станции для очистки подвижного состава.// Экология и промышленность России, сентябрь, 2000. — С. 26-29.

26. Мансуров З.А. Разработка способов термической переработки и окисления нефтяных отходов / З.А. Мансуров, Е.К. Онгорбаев, Б.К. Тушутаев и др. // Нефтехимия и нефтепереработка.- 2004.- С. 49-54.

27. Маценко Г.Г. Установка утилизации нефтяных шламов / Г.Г. Маценко, Е.Б. Окуяев, А.Ф. Ахметов // Нефть и газ. 1997.- №2.- С. 137.

28. Мостовой Н. Перед тем как смешать / Н. Мостовой, А. Хохлов, Ю. Цодиков // Нефть России. 2000. - №3. - с. 39-41.

29. Нефти СССР: справочник. — Дополнительный том. Физико-химическая характеристика нефтей СССР. — М.: Химия, 1975. — 88с.

30. ЗЗ.Окунев Е.Б., Промышленная установка к утилизации нефтешлама / Е.Б. Окунев, В.Т. Ливенцов // Материалы 46 Науч.- техи. конф. студ., аспирантов и мол. учёных УГНТУ. Уфа, 1995. - С. 118.

31. Пиковский Ю.И., Солнцева Н.П. // Комплексный глобальный мониторинг загрязнения окружающей природной среды. 3 Междунар. симпозиум, Рига 12-15 декабря 1978. — JI.: Гидрометеоиздат, 1980.-С. 149.

32. Пономарева JI.B. Биоремедиация нефтезагрязненной почвы с использованием биопрепарата "БИОСЭТ" и пероксида кальция / JI.B. Пономарева, В.Г. Крунчак, В.А. Торгованова, Н.П. Цветкова, А.И. Осипов // Биотехнология, 1998, №1. - С. 79-84.

33. Раскатов А.В. Опыт внедрения центрифуг для обезвоживания шламов / А.В. Раскатов, Е.Н. Прошин // Экология производства. -2006. №7. С. 41-45

34. Рахманкулов Д.Л., Бикбулатов И.Х., Шулаев Н.С., Шавшукова С.Ю. Микроволновое излучение и интенсификация химических процессов: Монография. -М.: Химия, 2003. 220с.

35. Садехи К., Садехи М.-А., Чилингарян Д.В. Извлечение битума из битуминозных песков с помощью ультразвука и силиката натрия // Химия и технология топлив и масел. — 1988. — №8. —С.24—28.

36. Сайфуллин Н.Р. Практика переработки жидких нефтешламов в ОАО "Ново-Уфумский НПЗ" / Н.Р. Сайфуллин, А.Ф. Махов, В.Б. Файзуллин н др.// Нефтепереработка и нефтехимия.- 1998. №3.- С. 46-49.

37. Самедова Ф.И., Мир-Бабаев М.Ф. Разделение асфальтенов способом физического воздействия //Химия и технология топлив и масел. — 1995. — №5. — С.41.

38. Сегерлинд, JI.A. Применение метода конечных элементов Текст./ Пер.с англ.- М.:Мир, 1979.-390 е., ISBN 5-901675-50-9.

39. Сергиенко СР., Таимова Б.А., Талалаев Е.И. Высокомолекулярные неуглеводородные соединения нефти. — М.: Наука, 1979. —269с.

40. Сидоров Д.Г. Микробиологическая деструкция мазута в почве при использовании биопрепарата "Деворойл" / Д.Г.Сидоров, И.А. Борзенко, Е.И. Милехина, С.С. Беляев, М.В. Иванов // Прикладная биохимия и микробиология. 1998.-Т.34.- №3. С 281-286.

41. Смыков В.В. О проблеме утилизации нефтесодержащих отходов /В.В. Смыков, Ю.В. Смыков, А.И. Ториков // Экологическая и промышленная безопасность. -2005. №3 С. 30-33.

42. Стабникова Е.В. Применение биопрепарата "Лестан" для очистки почвы от углеводородов нефти / Е.В. Стабникова, М.В. Селезнева, А.Н. Дульгеров, В.Н. Иванов // Прикладная биохимия и микробиология. -1996.-32, №2.-С. 219-223.

43. С. В. Фридланд, Т. Ш. Аксанов, Н. Л. Солодова. //Интенсификация обезвоживания нефтешламов Текст. / Вестник машиностроения. - 2006. - N 2. - С.84-87. - ISSN 0042-4633. - Библиогр.: с. 87 (11 назв. )

44. Эмануэль Н.М., Кнорре Д.Г. Курс химической кинетики. М.: Высшая школа, 1974,- 467 с.

45. Ягафарова Г.Г. Инженерная экология в нефтегазовом комплексе / Г.Г. Ягафарова, JI.A. Насырова, Ф.А. Шахова, СВ. Балакирева, В.Б. Барахнина,

46. A.Х.Сафаров Уфа: Изд-во УГНТУ 2007. - 334 с.

47. Ягафарова Г.Г. Экологическая биотехнология в нефтегазодобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности: Учеб. пособие. / Г.Г. Ягафарова -Уфа: Изд-во УГНТУ, 2001. 214 с.

48. Ягафарова Г.Г. Испытания биопрепарата "Родотрин" для ликвидации нефтяных загрязнений на территории Татарстана / Г.Г. Ягафарова, Р.Н. Хлесткий, В.Б. Барахнина//Нефтехимия и нефтепереработка. 1998, №7 -С. 21-23.

49. Ягафарова Г.Г. Испытания биопрепарата "Родотрин" для ликвидации нефтяных загрязнений / Г.Г. Ягафарова, Э.М. Гатауллина и др. //Башкирский химический журнал. 1995. - Т.2, №3-4. - С. 69-70.

50. Ягафарова Г.Г. Биоремедиация нефтезагрязненной почвы / Г.Г. Ягафарова,

51. B.Б. Барахнина, А.Х. Сафаров, Е.Г. Ильина, И.Р. Ягафаров // Материалы секции ДIII Конгресса Нефтепромышленников России «Нефтепереработка и нефтехимия: проблемы и перспективы», г. Уфа, 22-25 мая 2001года. Уфа, 2001.-С.207-208.

52. Янкевич М.И. Комплексная биотехнология очистки воды промышленных предприятий от нефтезагрязнений / М.И. Янкевич, В.В. Хадеева и др. // Тез. докл. 3 Междунар. конф. "Освоение Севера и проблемы рекультивации", -Сыктывкар, 1996. - С. 234-235.

53. Янкевич М.И. Биоремедиация природных и промышленных территорий с применением нефтеокисляющих препаратов / М.И. Янкевич, В.В. Хадеева, А.В. Лизунов // Тез. докл. Всерос. конф. "Микробиология почв и земледелие". Санкт-Петербург, - 1998.- 133 с.

54. R.G. Brereton. Chemometrics: Data analysis for the laboratory and chemical plant. Wiley, Chichester, UK. 2003.

55. K. Esbensen multivariate data analysis in practice/ 5th edition/CAMO software AS/2006/598 p.

56. Everitt, B. Cluster analysis/ B. Everitt.-Halsted Press, 1981.-2en ed.

57. G.R. Flaten, B. Grung, O.M. Kvalheim. A method for validation of reference sets in SIMCA modelling, Chemom. Intell. Lab. Syst., 72, 101 (2004)

58. Greys K. Kopp-Holtwiesche Bettina / K. Greys // BFE: Biotech. Forum Eur. -1992. -9, №6.-P. 366-368.

59. Johnson, S.C. Hierarchical clustering schemes / S.C. Johnson // Psychometrica. -1967. Vol. 32. - Pp 241-254.r

60. M. Sarker, W. Rayens. Partial least squares for discrimination. J. Chemom., 17, 166 (2003)

61. M. Sjostrom, S. Wold, В. Soderstrom, PLS discriminant plots, Proceedings of PARC in Practice, Amsterdam, June 19-21, 1985, Elsevier Science Publishers B.V., North-Holland, 1986.

62. Solans A. Degradation of aromatic petroleum hydrocarbons by pure microbial cultures / A. Solans, R. Pares // Chemochera. 1984. - V. 13, №5. - P. 593-601.

63. Wallace, C.S. Fn information measure for classification / C.S. Wallace, D.M. Boulton // Comuter Journal. 1968. - Vol. 11. - Ppl968.

64. S. Wold, K. Esbensen, P. Geladi. Principal component analysis. Chemom. Intell. Lab. Syst., 2, 37(1987).

65. S. Wold. Pattern recognition by means of disjoint principal components models. Pattern Recognition, 8, 127 (1976)

66. Стандарты и нормативные документы

67. СП 2.1.7.1386-03 "Санитарные правила по определению класса опасности токсичных отходов производства и потребления"

68. ГОСТ 2477-65 Нефть и нефтепродукты. Метод определения содержания воды

69. ГОСТ 2177-99 Нефтепродукты. Методы определения фракционного состава

70. ГОСТ 1437-75 Нефтепродукты темные. Ускоренный метод определения серы

71. ПНД Ф 12.1:2:2.2:2.3.2-2003'«Отбор проб почв, грунтов, осадков биологических очистных сооружений, шламов промышленных сточных вод, донных отложений искусственно созданных водоёмов, прудов-накопителей и гидротехнических сооружений»

72. РД 52.18.575-96 «Определение валового содержания нефтепродуктов в пробах почвы методом инфракрасной спектрометрии. Методика выполнения измерений»

73. Приказ от 15 июня 2001г. №511. Об утверждении критериев отнесения опасных отходов к классу опасности для окружающей природной среды.82.- СП 2.1.7.1386-03 "Санитарные правила по определению класса опасности токсичных отходов производства и потребления"

74. Оценка стоимости нефтесодержащих отходов для постановки на баланс ОАО «САМАРАНЕФТЕГАЗ» Самара 2007

75. Базовые нормативы платы за выбросы, сбросы и размещение отходов. Коэффициенты, учитывающие экологические факторы./ Утв. 27.11.1992 Минприроды России по согласованию с Минэкономики РФ и Минфинансов РФ.

76. Инструктивно-методические указания по взиманию платы за загрязнение окружающей природной среды./ Утв. 26.01.1993 Минприроды России по согласованию с Минэкономики РФ и Минфинансов РФ.