Обоснование технологии очистки сельскохозяйственных земель, загрязненных нефтепродуктами тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 06.01.02, кандидат технических наук Маматов, Андрей Андреевич

• Маматов, Андрей Андреевич
• кандидат технических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат технических наук Маматов, Андрей Андреевич

ВВЕДЕНИЕ.

1 ОЦЕНКА ПОСЛЕДСТВИЙ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ

Н ЕФТЕП РО ДУ КТАМ И.

1.1 Загрязнение компонентов ландшафта нефтепродуктами.

1.2 Изменения в природных компонентах при увеличении концентрации углеводородов.

1.3 Оценка уровня загрязнения почв.

1.4 Оценка уровня загрязнения водных объектов.

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 1.

2 ОСОБЕННОСТИ ФИЛЬТРАЦИИ МНОГОФАЗНОЙ ЖИДКОСТИ

В ПОРИСТЫХ СРЕДАХ.

2.1 Обзор литературы.

2.2 Математическая модель совместного передвижения керосина и воды в грунте.

2.3 Алгоритм и программа расчета передвижения воды и керосина в грунте.

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 2.

3 ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.

3.1 Цель и задачи лабораторных исследований.

3.2 Лабораторное оборудование и методика проведения экспериментов.

3.3 Свойства жидкостей, используемых в экспериментах.

3.4 Опыты с песчаными грунтами.

3.5 Равновесное распределение содержания нефтепродуктов в грунте.

3.6 Проверка математической модели.

3.7 Опыты с суглинистыми грунтами.

3.8 Дренирование водо- и керосинонасыщенных грунтов.

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 3.

4 ПОЛЕВОЙ ЭКСПЕРИМЕНТ.

4.1 Цель и задачи эксперимента.

4.2 Объект полевого эксперимента.

4.2.1 Место проведения эксперимента.

4.2.2 Природные условия.

4.2.3 Сельскохозяйственное использование земель.

4.3 Приборы и оборудование.

4.4 Тарировка влагомера ВНП-1.

4.5 Результаты полевых экспериментов.

4.6 Доочистка почвы.

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 4.

5 ОЧИСТКА СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ЗЕМЕЛЬ, ЗАГРЯЗНЕННЫХ

Н ЕФТЕПРОДУКТАМ И.

5.1 Анализ известных способов рекультивации земель, загрязненных нефтепродуктами.

5.2 Предлагаемый способ очистки сельскохозяйственных земель от легких нефтепродуктов.

5.3 Пример применения предлагаемой технологии очистки территории, загрязненной легкими нефтепродуктами.

5.3.1 Анализ природных условий.

5.3.2 Характеристика объекта загрязнения.

5.3.3 Подготовительные мероприятия и очистка загрязненной территории.

5.4 Рекультивация почвенного покрова.

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 5.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Обоснование технологии очистки сельскохозяйственных земель, загрязненных нефтепродуктами»

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. С развитием цивилизации все острее становится вопрос о сохранении, а в последнее время и о восстановлении природной среды. Для оценки и разработки эффективных мероприятий по защите или рекультивации земель следует рассматривать все компоненты природной среды в комплексе, так как между ними существует взаимосвязь и взаимообусловленность. Этот принцип реализуется в геосистемном (ландшафтном) подходе, который обеспечивает наиболее полное описание процессов загрязнения.

Под геосистемой понимают пространственно-временной комплекс всех компонентов природы, взаимообусловленных в своем размещении и развивающихся как единое целое. Компонентами геосистемы являются: литосфера, атмосфера, гидросфера, биота и почва - как продукт, появившийся под действием живых и мертвых организмов.

В основу описания процессов загрязнения должны быть положены фундаментальные свойства геосистем: целостность; открытость (т.е. возможность обмена энергией и веществом с другими системами); способность функционирования ( в геосистеме идут непрерывные процессы преобразования энергии, вещества и информации); продуцирование биомассы (важнейший результат функционирования); способность почвообразования; пространственно-временная организация; динамика (способность обратимо изменяться во времени без перестройки структуры); устойчивость (способность восстанавливать свою структуру и другие свойства при изменении внешних воздействий); способность развиваться (геосистема способна эволюционно изменятся); нелинейность процессов (например, уменьшение скорости впитывание жидкости в почву и др.).

В иерархическом ряду геосистем ландшафт выступает как генетически единая, эталонная геосистема, т.е. наименьшая территориальная единица, сохраняющая все типичные для данной зоны черты строения географической оболочки, однородная по зональным и азональным признакам, включающая специфический набор локальных геосистем (местности, урочища, фации). В нем наиболее полно представлены характерный местный комплекс природных факторов и условий жизни и деятельности людей.

Деятельность человека по преобразованию окружающей среды приводит к антропогенной нагрузке на ландшафты. Ландшафты претерпевают обратимые или необратимые изменения в зависимости от величины этих нагрузок, например от количества поступления загрязняющих веществ.

Под загрязнением понимают природное или антропогенное увеличение содержания различных веществ в абиотических и биотических средах, обусловливающее негативные токсико-экологические последствия. Можно считать, что геосистемы становятся загрязненными, когда накопление в них загрязняющих веществ, а также формы их нахождения приводят к: нарушению газовых, концентрационных, окислительно-восстановительных функций биоты, вызывающих утрату ее геохимического самоочищения; изменению биохимического состава продукции биоты, вызывающему нарушение жизненных функций цепей в данной геосистеме и за ее пределами при отчуждении биологической продукции; снижению биологической продуктивности геосистемы; уменьшению информативности геосистемы, т.е. разрушению генофонда.

Антропогенное загрязнение земель можно условно разделить на сельскохозяйственное, жилищно-коммунальное, военное и промышленное. Сельскохозяйственное загрязнение возникает при применении средств борьбы с болезнями и вредителями культурных растений, с сорной растительностью (пестициды, гербициды), при повышенных доз минеральных и органических удобрений, использование сточных вод с удобрительной и увлажнительной целью, использовании для орошения вод с повышенной минерализацией. Жилищно-коммунальное загрязнение происходит из-за попадания в почву различных веществ, в основном поверхностно-активных (ПАВ), находящихся в коммунальных стоках. Промышленное загрязнение на больших территориях возникает при попадании в почву через атмосферу или с дождем и снегом паров, аэрозолей, пыли. Военное загрязнение возникает при ведении боевых действий, маневров, испытании боевой техники.

По мнению специалистов, более 70% ущерба, наносимого окружающей среде промышленностью, приходится на предприятия топливно-энергетического комплекса. В биогеохимии существует термин "технофильность элемента", показывающий отношение годичного производства в тоннах к его среднему содержанию в земной коре. Из всех химических элементов наибольшей технофильностью (порядка ю10) обладает углерод и в первую очередь углерод нефти и каменного угля [166].

В результате аварий, протечек, нарушении технологических процессов, ремонтных работ при переработке нефти, транспортировке, распределении и хранении нефтепродуктов загрязнению подвергаются воздух, почва, грунты, биота, поверхностные и грунтовые воды, одним словом все компоненты геосистемы. В отличие от воздуха, где концентрация веществ не является стабильной величиной, почва и грунты аккумулируют нефтепродукты, закономерности распространения, трансформации их более наглядны и доступны для изучения.

По данным Российского отделения "Грин-пис" потери нефти и нефтепродуктов в России за счет аварийных ситуаций и несоблюдения технологической дисциплины достигают 25 млн. тонн ежегодно. Официальные оценки скромнее - 4,8 млн. тонн. По другим источникам только в Тюменской области ежегодные потери нефти и нефтепродуктов составляли 6 млн. тонн, а поступление нефтепродуктов в открытые водоемы в 1994 году составило 890000 тонн.

В ряде городов в местах расположения крупных баз хранения нефтепродуктов и заводов по переработке нефти обнаружены подземные озера масел и топлива, "плавающих" на поверхности грунтовых вод. Например, недалеко от г. Энгельса, вблизи складов топливно-смазочных материалов (ТСМ) аэродрома изысканиями выявлено два подземных скопления реактивного керосина, каждое с площадью загрязнения около 50га, залегающие на глубине порядка 5-7м, в которых имеются сотни тысяч тонн топлива. Этот керосин при периодических подъемах и опусканиях уровня грунтовых вод загрязнил водоносный горизонт, грунты зоны аэрации, почвенный слой, а в понижениях выходит на поверхность. Более того, топливо вместе с потоком грунтовых вод движется к Волгоградскому водохранилищу, создавая угрозу экологического бедствия. Известно также, что на территории авиабазы вблизи г. Ейска потерянные нефтепродукты уже достигли берега Азовского моря. В г. Новокуйбышевске в грунтах под территорией местного нефтеперерабатывающего завода обнаружены десятки млн. тонн нефтепродуктов, значительная часть которых составляет этилированный бензин. Около Курской нефтяной базы на глубине 7м обнаружено "месторождение" дизельного топлива и бензина объемом около 100 тыс. т, занимающее площадь до Юга. Аналогичные "место-рождения" найдены в Туле, Орле, Ростове, на Камчатке и в других местах.

Меньшие по размерам, но множественные по территории очаги загрязнения создаются в местах расположения небольших баз ТСМ. Например, на сельскохозяйственных предприятиях России имеется около 35000 нефтескладов, где расположено около 450000 резервуаров. Точного учета проливов, утечек и протечек, конечно, никто не вел, но по отрывочным сведениям годовые потери могут находиться в пределах 5 - 20кг на тонну нефтепродуктов, прошедших через склад, или 0,5 - 2%. При годовой поставке 30 млн. тонн автобензина и дизельного топлива предприятиям Минсельхоза РФ (средние данные за 1987 - 1991 гг.) потери нефтепродуктов составляют от 150 тыс. до 600 тыс. тонн или грубо 10 тонн на одном нефтескладе в год. За 25 - 30 лет существования одного небольшого нефтесклада, а их около 35 тыс., под ним может накопиться до 350 тонн нефтепродуктов.

В нефтедобывающей отрасли нередки открытые фонтаны с неконтролируемым выбросом нефти. В 1991 г. выброс нефти произошел в ПО "Сахалинморнефтегаз" корпорации "Роснефтегаз", в 1992 г. на Комсомольском месторождении предприятия "Тюменьбургаз" РАО "Газпром", в 1993 г. наиболее тяжелые последствия имели фонтаны в объединении "Ямалнефтегеология" на Ново-Портовском месторождении и в объединении "Кубаньгазпром" на прибрежном месторождении.

На магистральных нефте-, газо- и продуктопроводах в 1992 г. было отмечено 57 аварий, сопровождавшихся потерями сырья. В 1993 г. произошло 77 аварий, связанных со сбросом нефти и нефтепродуктов, или 57,5% от общего числа чрезвычайных техногенных ситуаций с экологическими последствиями. В том же году при перевозке опасных грузов на железнодорожном транспорте произошло 20 аварий и крушений поездов. В Москве, Санкт-Петербурге, Волгограде, Саратове, Перми, Екатеринбурге и других городах в результате сходов и столкновений составов в окружающую среду попало 1600 тонн нефтепродуктов.

Локализация образовавшихся очагов загрязнения, очистка почв, грунтов и восстановление качества грунтовых вод представляет собой весьма трудную задачу. В зависимости от выполнения природоохранных мероприятий и надежности оборудования поступление нефтепродуктов в окружающую среду могут увеличиться или уменьшиться, но в целом техногенные потоки углеводородов - это неизбежный результат хозяйственной деятельности общества, объективный процесс, требующий, как и природные процессы, изучения и разработки своей теории.

Понятно, что любые природоохранные мероприятия в этом случае связаны с большими материальными затратами, однако в последующем эти затраты станут еще более внушительными из-за повышенной заболеваемости людей, снижения их работоспособности, ухудшения условий труда и жизни, снижения продуктивности природных ресурсов. Хотя уже сегодня статистика здоровья населения свидетельствует скорее о национальном бедствии, чем об опасности.

ЦЕЛЬЮ РАБОТЫ является обоснование технологии очистки сельскохозяйственных земель от крупного скопления легких нефтепродуктов и способа рекультивации загрязненного почвенного покрова.

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ в соответствии с целью работы обозначаются следующим образом:

1) Осуществить лабораторные исследования двухфазной фильтрации воды и керосина в грунтах различного механического состава и в почвенных монолитах с ненарушенной структурой, сложением и строением.

2) Выполнить корректировку математической модели совместного передвижения воды и керосина в грунте по результатам лабораторных исследований и на ее основе разработать способ прогнозирования содержания нефтепродуктов для обоснования параметров технологии очистки.

3) В опытах на грунтовом лотке определить эффективность удаления нефтепродукта из водонасыщенных грунтов способом дренирования.

4) Провести полевой лизиметрический эксперимент по загрязнению почвенного профиля керосином и очистке его путем гидравлического вытеснения нефтепродукта на поверхность. Далее провести мероприятия по рекультивации почвенного покрова.

5) На основании выполненных теоретических и экспериментальных исследований разработать технологию локализации скопления легких нефтепродуктов и их удаление из ненарушенных грунтов.

МЕТОДИКА И МЕСТО ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ. В работе применялись экспериментальные, теоретические методы исследования, а также математическое моделирование. Экспериментальные методы исследования проводились в лабораторных и полевых условиях. Лабораторные эксперименты по двухфазной фильтрации воды и керосина проводились в лаборатории кафедры мелиорации и рекультивации земель, полевые эксперименты - на опытном участке кафедры в селе Селково Московской области.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА работы заключается:

1) Проанализировано распределение нефтепродуктов при существенных утечках на территории с неглубокими грунтовыми водами. Показано, что в результате всегда имеющихся сезонных колебаний верхнего безнапорного горизонта грунтовых вод, количество нефтепродуктов распределено по профилю неравномерно. Значительная их часть находится в капиллярной кайме, а область наибольшего скопления расположена у ее основания. Насыщенность загрязнителя уменьшается под поверхностью грунтовых вод и доходит до гидравлически неподвижной насыщености на нижней поверхности области загрязнения.

2) Разработана и адаптирована к рассматриваемой проблеме математическая модель, описывающая процесс совместной фильтрации воды и керосина и процесс всплытия нефтепродукта.

3) Экспериментальным путем установлены некоторые закономерности совместной фильтрации воды и керосина в песчаных грунтах; эффективность очистки путем дренирования и гидравлического вытеснения нефтепродуктов; доказана возможность и относительно высокая степень очистки загрязненных территорий гидравлическим вытеснением.

4) Полевыми исследованиями показана возможность в относительно короткие сроки реанимировать репродуктивную способность загрязненной почвы простыми агромелиоративными приемами, направленными на ускорение процессов самоочищения и самовосстановления.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ работы заключается в найденном эффективном способе очистки территории от крупного скопления легких нефтепродуктов, позволяющий в сравнительно короткий срок вернуть загрязненные земли для использования в сельскохозяйственном производстве.

РЕАЛИЗАЦИЯ И ПУБЛИКАЦИЯ РАБОТЫ. На предложенный способ очистки грунтов и грунтовых вод от нефтепродуктов был получен патент Российской Федерации №2098549 совместно с Голованова А.И. На заключительной стадии оформления находятся патенты европейских стран, Японии и США (№\ЛГО 98/45061).

На основе полученных результатов исследований разработаны ме тодические указания по очистке земель, загрязненных нефтепродуктами, в соответствии с программой дисциплины "Мелиорация и охрана земель", для специальности "Инженерная защита окружающей среды". Составители: Голованов А.И., Маматов A.A.

По теме диссертации имеются публикации в журнале "Научно-технические достижения в мелиорации и водном хозяйстве", Трудах Международного Форума по проблемам науки, техники и образования, в тезисах докладов различных конференций. Составлен отчет о нучно-исследовательской работе: Разработка метода прогноза загрязнения почв и подземных вод при атмосферном загрязнении выбросами и при утилизации стоков гражданских и военных объектов "Полис-РВО". Основные положения диссертационной работы докладывались на научно-технических конференциях МГУП. В 1996 г. на Всероссийском Выставочном Центре демонстрировалась предлагаемая технология очистки загрязненных земель, за которую была получена медаль "Лауреата ВВЦ" (удостоверение №1998).

ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Работа содержит 227 страниц текста и включает в себя 35 рисунок, 27 таблицы и список использованной литературы состоящий из 157 наименований.