Восстановление почвы от нефти

Восстановление почвы от нефти

В естественных условиях нефть залегает на больших глубинах и не оказывает влияния на почву. Загрязнение почв нефтью происходит в результате антропогенной деятельности в районах нефтепромыслов, нефтепроводов, а также при перевозке нефти. Поэтому проблема нефтяных загрязнений весьма актуальна в настоящее время при активном развитии нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности. Одновременно в связи с ростом внимания к экологическому фактору, связанному с промышленной деятельностью, возрастает интерес и к вопросам рекультивации [1, 2, 3]. К сожалению, полностью очистить почву от нефти весьма трудно в связи с ее медленным разложением, поэтому в почве всегда можно обнаружить некоторое количество остаточных нефтепродуктов.

Цель работы: изучение трансформации нефтяных компонентов в почвах в процессе самоочищения почв загрязненных нефтью.

В легкой фракции нефти большую часть (50-70 %) составляют низкомолекулярные нормальные алканы, с числом атомов углерода от 5 до 15, оказывающие токсическое действие на живые организмы [9]. Основную массу ароматических углеводородов составляют моноядерные углеводороды – бензол и его гомологи. Арены имеют наиболее высокую плотность и являются самыми токсичными компонентами нефти. Так, с увеличением ароматичности нефтей растет их гербицидная активность [6].

При радиальном распределении нефти в почвенном профиле значительную роль играют так называемые барьеры-аккумуляторы, то есть горизонты с повышенной нефтеемкостью. Горизонтами-концентраторами нефтяных компонентов являются высокоемкие (органо-сорбционные) органогенные горизонты почв и торфов, а также горизонты легкого гранулометрического состава, имеющие достаточно высокую эффективную пористость [10].

Этапы самовосстановления нефтезагрязненных почв

Под термином «самовосстановление» (самоочищение) подразумевается естественное восстановление природного объекта, без какого-либо вмешательства человека, при этом часто происходит смена растительного и микробного сообщества. Естественное восстановление нефтезагрязненных почв протекает за длительный период, который можно разделить на несколько этапов по преобладающим процессам освобождения почвы от нефти [4].

На первом этапе в результате процессов физико-химического выветривания происходит удаление из почвы наиболее низкомолекулярных составляющих нефти – газообразных и легколетучих соединений. С этими фракциями в наибольшей мере связано ее токсическое действие по отношению к почвенной биоте и растениям, и поэтому деятельность микроорганизмов и, особенно, беспозвоночных подавлена. Снижение концентрации летучих углеводородов в почве ведет к резкому повышению численности углеводородокисляющих микроорганизмов. В зависимости от почвенно-климатических условий и состава нефти этот период варьирует от нескольких месяцев до 1,5 лет.

Второй этап естественной микробиологической деградации нефти занимает более длительный промежуток времени и сопровождается постепенным снижением ее количества. Каждый следующий вегетационный период характеризуется в среднем потерей около 20 % нефти. На данном этапе процессы биодеградации поллютанта идут в двух противоположных направлениях. С одной стороны, окисление нефти приводит к упрощению ее структуры, что связано с деятельностью углеводородокисляющих микроорганизмов. Благодаря их активности происходит микробное разложение, главным образом, нормальных алканов и простых ароматических углеводородов. Для данного этапа характерны соокислительные условия биодеградации соединений нефти. В почве постепенно увеличивается разнообразие биоты, встречаются мелкие беспозвоночные, появляются некоторые виды цианобактерий, преобладают споровые и микроскопические грибы [7].

Третий этап деградации является наиболее длительным и малоизученным. В почве в этот период присутствуют в основном самые сложные компоненты нефти, трудно разлагаемые микроорганизмами. Для большинства из этих соединений известны главным образом кометаболические пути биодеградации [4]. В таких почвах количество микроорганизмов может быть близким к контрольной почве, но качественный состав по-прежнему сильно отличается. Эти почвы еще долго характеризуются более высокой численностью углеводородокисляющих микроорганизмов [8].

Следует подчеркнуть, что если нефтяное загрязнение вызвало заметные изменения свойств почвы и растительного покрова, то даже после длительного срока (несколько десятков лет) полного возврата биоценоза и почвы к исходному состоянию не происходит, даже если химические анализы практически не обнаруживают опасного превышения загрязняющими веществами их фонового содержания [5].

Таким образом, естественная деградация нефти в природных условиях протекает в течение длительного периода времени и включает последовательное разложение компонентов возрастающей сложности и конденсацию промежуточных продуктов. На разных этапах разложения нефти ведущую роль играют различные процессы: физико-химическое выветривание, разрушение соединений нефти в результате микробного метаболизма и, наконец, кометаболические процессы их деструкции. Данная последовательность строго детерминирует очередность и определяет своевременность применения тех или иных технологических операций. В этом и состоит один из основных принципов оптимизации биотехнологии рекультивации нефтезагрязненных почв.

Физико-географическая характеристика района. Работы по отбору образцов были проведены в Пермском крае, около с. Васильевского Ильинского района. Территория представляет собой повышенную увалистую равнину, сильно рассеченную овражно-балочной сетью. На юго-востоке, в 23 км от Ильинского, р. Горевая отделяет с. Васильевское. Оно находится на севере Оханской возвышенности, высота 240 – 300 м и более, а к юго-западу от с. Васильевского 316 м – максимальная в Ильинском районе.

Как в породах, так и в почвах исследуемой территории обнаруживается много валунов, щебня. Это связано с тем, что данная местность была подвержена действию ледника. Также для Пермского края характерны обогащенные карбонатами пермские породы (песчаники, известняки, глины), перекрытые с поверхности покровными суглинками или древнеаллювиальными отложениями. Основной фон почвенного покрова составляют дерново-подзолистые почвы, среди них встречаются почвы со вторым гумусовым горизонтом и дерново-карбонатные почвы. Дерново-подзолистые почвы более гумусированы (3-6 % под лесом). Накоплению гумуса способствует замедление темпа биологического круговорота веществ в условиях континентального и менее увлажненного климата. Также климат способствует энергичной деятельности почвенной флоры и микроорганизмов. Присутствие в лесах лиственных пород и травянистой растительности, имеющих повышенную зольность по сравнению с хвойными породами и мхами, благоприятствуют закреплению части гумусовых веществ в верхнем горизонте и формированию в верхней части профиля под подстилкой четко выраженного гумусо-аккумулятивного горизонта, образовавшегося в результате дернового процесса. Однако под южно-таежными лесами протекает подзолистый процесс. Это и объясняет формирование здесь дерново-подзолистых почв, господствующих на положительных элементах рельефа.

В рамках полевых исследований было исследовано 4 производственных объекта, подверженных самовосстановлению (рисунок).

Участок территории, на которой произошел разлив нефти во время установки новой трубы нефтепровода в 2003 году недалеко от с. Васильевское. Высота пропитки около 20 см. Площадь загрязнения 84 м2.

Разлив при аварийном сливе нефти из нефтепровода в 1996 г. Площадь загрязнения 79 м2.

Загрязнение около одного амбара хранения нефтепродуктов во время проведения технических работ на нефтепроводе в 1980-1981 гг. Площадь загрязнения 81 м2.

Технический разлив нефти около двух амбаров хранения нефтепродуктов в 1971-1976 гг. Площадь загрязнения 146 м2.

Общая площадь загрязнения состави ла 390 м2.

Схема последовательности отбора образцов на объектах, подверженных самовосстановлению. Общее загрязнение 390 м2

В образцах дерново-карбонатных нефтезагрязненных почв на стадии самоочищения значения рН водной суспензии изменяются от 6,7 до 7,23 (таблица) в зависимости от давности загрязнения. Смещение величины рН загрязненных почв в кислую сторону можно объяснить неблагоприятным водно-воздушным режимом и накоплением промежуточных продуктов распада нефти, которое, возможно, и вызывает подкисление почв накапливающимися органическими кислотами.

Значение актуальной кислотности, Содержание углерода органических соединений, Общее содержание углеводородов нефти. Полевые исследования

Источник

Как происходит рекультивация земель, загрязненных нефтяными отходами

Оглавление

Загрязнение земель нефтепродуктами и нефтяными отходами остается серьезной экологической проблемой. Большинство видов нефтепродуктов содержат токсичные вещества, уничтожающие биологическое разнообразие и представляющие угрозу для человека. Рекультивация загрязненных почв дает возможность очистить их от накопленных загрязняющих веществ и восстановить природную экосистему.

Чем опасно загрязнение грунтов нефтепродуктами?

Наиболее опасными для биоценозов являются разливы нефти из-за аварий на трубопроводах. Они могут возникать в результате ошибок при монтаже, износа и коррозии трубопроводных линий, нарушении технических регламентов и при использовании и по другим причинам.

Попадание нефти и продуктов ее переработки в грунт приводит к тяжелым экологическим последствиям:

• Нарушение экологического равновесия в почвенном биоценозе. В результате воздействия нефтепродуктов меняются ее морфологические и химические характеристики. Это делает ее непригодной для роста растений и проживания различных видов живых организмов.
• Уменьшение аэрируемости почвы, ухудшение ее дренажных свойств. В результате воздействия нефти грунт хуже насыщается кислородом, что приводит к гибели сотен видов почвенных обитателей.
• Деградация растительного покрова. Попадание токсичных веществ в грунт провоцирует гибель растений и многократно снижает продуктивность почв. Они становятся непригодными для любого сельскохозяйственного использования.
• Резкое снижение способности грунтов к самоочистке и восстановлению. Очистить почву от нефтепродуктов можно только с использованием технологий рекультивации.

Допустимая концентрация нефтепродуктов в % (в пересчете на воздушно-сухой грунт) на различных глубинах

Нефть и продукты переработки очень опасны для растений из-за гидрофобных свойств. При попадании в почву такие вещества обволакивают корни и создают на них пленку, через которую не может проникать вода. В результате растения испытывают острый дефицит влаги и быстро засыхают. Дополнительно нарушается корневое питание: растение теряет способность усваивать азотистые соединения из почвы, в результате нарушается его рост и нормальное развитие.

Чтобы предотвратить длительные негативные последствия, необходимо своевременно проводить рекультивацию почв для нейтрализации негативного действия нефтепродуктов.

Цели проводимых работ по рекультивации нефтезагрязненных земель

Рекультивация нефтезагрязненных земель – сложный процесс, направленный на очистку грунтов от токсичных соединений и восстановление первоначального биоценоза. Загрязнение нефтью всегда имеет комплексный характер, так как в ней присутствует некоторое количество тяжелых металлов и других токсичных веществ. При длительном загрязнении почв образуются большие ареалы распространения свободных и связанных нефтепродуктов – такая ситуация наблюдается вблизи нефтеперерабатывающих заводов, складов, нефтебаз. В результате возникает угроза загрязнения поверхностных и подземных вод.

Рекультивация предотвращает дальнейшее загрязнение грунтов и обеспечивает очистку загрязненных почв от нефтепродуктов. Она направлена на достижение следующих целей:

• Предотвращение распространения нефтяных залежей в городские водозаборы и природные водоемы.
• Локализация очагов загрязнения, чтобы не допустить попадания нефтепродуктов на новые территории.
• Очистка почв от нефтепродуктов, нейтрализация токсичных веществ.
• Восстановление продуктивности почв, нормализация баланса экосистемы.
• Обеспечение биологической безопасности загрязненных земель и развивающейся на них биомассы.

Нормативы остаточного содержания нефти в почве после проведения восстановительных работ

Для достижения поставленных целей применяются различные методы очистки и рекультивации грунтов. Комплексный подход позволяет нейтрализовать большую часть опасных веществ и создать условия для восстановления нормального биоценоза.

Классификация почв по степени и возрасту загрязнения нефтью

Почвы считаются загрязненными нефтепродуктами, когда содержание загрязняющих веществ превышает максимальную допустимую концентрацию, в результате начинаются различные негативные изменения состава грунта и биологического сообщества. Важные признаки загрязнения – это нарушение биологического разнообразия, гибель одних видов микроорганизмов и усиленный рост других, деградация свойств почвы и снижение их биологической продуктивности.

Проведенные исследования показывают, что максимальная безопасная концентрация нефтепродуктов в почвах не превышает 1 г/кг – превышение этого значения уже провоцирует негативные изменения в структуре и свойствах почвенного покрова.

В зависимости от степени загрязнения различают следующие классы почв:

• Слабозагрязненные. Концентрация нефтепродуктов составляет от 1 до 5 г/кг. Для устранения негативных последствий достаточно ограниченного набора мероприятий, ускоряющих естественные процессы самоочищения грунта. Это аэрация, увлажнение, рыхление, высаживание растений, способствующих поглощению токсичных веществ.
• Среднезагрязненные. Концентрация нефтепродуктов находится в пределах 5-10 г/кг. В этом случае требуется проведение интенсивной рекультивации с использованием механических и биологических методов.
• Сильнозагрязненные. В составе присутствуют более 10 г нефтепродуктов на 1 кг грунта. В этом случае необходима направленная рекультивация для устранения долгосрочных экологических последствий.

В некоторых российских регионах вводятся дополнительные нормативы для уточнения степени загрязненности грунтов. Рекультивация земель, подвергшихся заражению нефтепродуктами, должна проводиться за счет организаций, несущих ответственными за попадание токсичных веществ в грунт. Чаще всего это нефтеперерабатывающие компании, собственники нефтебаз и других подобных организаций.

Этапы рекультивации земли после загрязнения нефтепродуктами

Рекультивация земель, загрязненных нефтепродуктами – сложный многоступенчатый процесс, результатом которого становится значительное снижение концентрации токсичных веществ в почве и восстановление ее первоначальных свойств. Процесс можно разделить на три основных этапа.

Подготовительный этап очистки от нефтепродуктов

Подготовительный этап начинается с разработки рабочего проекта. В нем должен быть указан план предстоящих работ, созданный на основе СНиП 11-01-95. Для разработки проекта предварительно выполняются почвенно-мелиоративные изыскания: специалисты должны определить степень загрязненности грунта нефтепродуктами. Исследование проводится для определения следующих параметров:

• Площадь зараженного участка.
• Глубина проникновения нефтепродуктов в грунт.
• Наличие рисков дальнейшего распространения нефтяного пятна по всем направлениям.
• Объемы нефтепродуктов, поступивших из источников загрязнения.
• Состояние растительности на загрязненной территории.

На основании полученных данных проводятся расчеты, составляется подробное описание загрязненного участка. В нем указывается тип почвы и ее химический состав, особенности ландшафта. Специалист составляет карту-схему, на которой указываются границы пощади загрязнения и степень поражения территории. Дополнительно составляется почвенно-мелиоративная картограмма, с помощью которой определяются методы очистки грунта от нефтепродуктов.

Технический этап

С загрязнённого участка необходимо удалить максимально возможное количество нефти – это поможет ускорить процесс восстановления грунта. Почва обрабатывается различными абсорбентами – веществами, способными поглощать токсичные углеводородные соединения. Проводится планировка территории: с нее удаляется весь мертвый и засыхающий древостой, поврежденная растительность сжигается. Полученная в результате зола будет использоваться при восстановлении грунта.

Территория освобождается от ранее срубленной древесины, с нее удаляется различный строительный и бытовой мусор. Если есть риск повторного загрязнения нефтью, проводится обваловка, она помогает предотвратить дальнейшее загрязнение грунтов. Дополнительно выполняются следующие мероприятия:

• Рыхление почвенного горизонта с добавлением мульчирующих грунтов. Этот процесс направлен на улучшение аэрации почвы для боле быстрого разложения нефти в результате естественных процессов.
• Создание искусственного микрорельефа. Он представляет собой чередующиеся бугры и канавки, такой микрорельеф создает оптимальные условия для очистки заболоченный почв с высоким содержанием влаги.
• Стимуляция почвенной микрофлоры, способной перерабатывать нефтепродукты. Этот процесс начинается при снижении степени загрязненности грунта до 23-25%. После понижения этого параметра до 15%, можно переходить к следующему этапу рекультивации.

Биологический этап рекультивации

Первый этап биологической рекультивации – пробный посев трав, с помощью которого можно определить состояние почвы. Определяется степень токсичности растений, по этому показателю можно примерно определить сроки дальнейшего восстановления грунта. Перед пробным посевом землю вспахивают и рыхлят, семена предварительно скарифицируют и обрабатывают нитралгином. Для пробного посева используют бобовые культуры, которые хорошо растут в данной климатической зоне: это может быть люпин, горох, донник и т.д.

Если пробный посев продемонстрировал хорошие результаты (появились всходы минимум на 75% рекультивируемой территории), можно переходить к следующему этапу. На территории высевают многолетние травы, перед посевом выполняется культивация и боронование почвы, а также внесение минеральных удобрений для ускоренного роста и развития.

Процессы естественного разложения нефтепродуктов превращают органику в природное удобрение, которое способствует росту зеленой массы и ускоренному развитию растительности. Однако в ней может содержаться достаточно большое количество токсичных веществ, поэтому выросшие на территории многолетние травы не допускается использовать в кормовых целях. Она превращается в сидеральное удобрение: растения измельчаются, зеленую массу запахивают в грунт.

Биологическая рекультивация считается завершенной после создания на месте загрязнения территории плотного слоя травостоя, а концентрация остаточного содержания нефтепродуктов не должна превышать 8,0%. Рекультивация дает возможность освободить почву от токсичных веществ, восстановить растительный слой и нормализовать условия для жизни различных почвенных организмов.

Методы и технологии рекультивации

Для удаления нефтепродуктов из почвы и предотвращения дальнейшего распространения загрязнений применяются различные способы рекультивации. Все они должны быть экологически чистыми, чтобы предотвратить дальнейшее нарушение природного баланса и нормализовать состояние грунта. Для восстановления почв применяются следующие категории методов.

Механические методы рекультивации

Эта группа методов имеет ограниченные возможности применения и используется только небольших локальных поражениях почвы нефтепродуктами при авариях. Различают следующие механические методы:

• Сбор нефтепродуктов с почвы с применением специальных собирающих установок. Он имеет несколько плюсов: такой метод дает возможность собрать и повторно использовать углеводороды, провести экстренную очистку местности при аварийном разливе нефтепродуктов, очистить труднодоступные участки, в том числе территории нефтебаз с большим количеством кустарника и различного строительного мусора.
• Засыпка образовавшегося нефтяного пятна грунтом с последующим вывозом загрязненной почвы для утилизации на специальных полигонах. Этот метод считается наименее экологичным, так как нефтепродукты способны в течение многих лет сохранять опасные свойства и негативно влиять на окружающую среду.
• Перепахивание для смешения загрязненного и незагрязненного почвенного слоя. Впоследствии грунт подвергается другим рекультивационным способам.

Механические методы могут использоваться как первый этап проведения рекультивации, в дальнейшем оно дополняется физико-химической или биологической очисткой грунтов.

Физико-химические методы рекультивации

Основной физико-химический способ – промывка грунтов подогретыми водными растворами с добавлением поверхностно-активных веществ. С помощью реагентов токсины вымываются из почвы и нейтрализуются, это дает возможность проводить дальнейшие работы по восстановлению первоначального состав аи структуры почвенного слоя.

Также применяются следующие методы обработки:

• Экстракция нефтепродуктов из грунта различными методами, в том числе при использовании вакуумных экстракторов.
• Известкование путем обработки загрязненного грунта негашеной известью. Она добавляется в почву в объеме 0,5-5% от массы попавшего в грунт загрязняющего вещества. В результате химической реакции в почве образуется твердый продукт, который можно извлечь и тем самым очистить почву от отравляющих соединений.
• Электрохимическая обработка загрязненных почв. В этом случае в почву опускаются электроды, по которым подается постоянный ток. На поверхности электродов осаждаются присутствующие в почве токсичные соединения, после чего электроды извлекаются вместе с загрязнителями.

Такие методы позволяют освободить грунт от большей части загрязняющих веществ после чего можно будет приступать к дальнейшей биологической переработке.

Биологические методы очистки грунтов

Биологические методы основаны на естественных процессах переработки нефтесодержащих загрязнений. Для этого используются углеводородокисляющие микроорганизмы, которые в обычных условиях постоянно присутствуют в почвенных биоценозах. При разливах нефти и других загрязнениях нефтепродуктами в почву могут вноситься дополнительные промышленные культуры микроорганизмов, в результате скорость переработки многократно усиливается.

Для активизации работы микроорганизмов проводится аэрация почвы методом рыхления, также в нее вносятся различные субстраты, усиливающие деятельность микрофлоры. Активированные микроорганизмы усиленно перерабатывают загрязнения, в результате почва очищается, восстанавливается ее первоначальный химический состав.

Биологическая рекультивация предполагает восстановление почвенного слоя методом высадки однолетних и многолетних трав, способных забирать из почвы токсичные соединения. Через несколько лет грунт очищается настолько, что восстанавливается его плодородность и нормальная структура биоценоза.

Также почитайте статью про рекультивацию:

Источник