VIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2016

Стремительное расширение масштабов влияния человека на природу привело к тому, что экономическое и социальное развитие общества на современном этапе пришло в противоречие с ограниченными возможностями окружающей среды. При этом высокая опасность для жизни и здоровья человека из-за снижения качества окружающей среды, риск крупных техногенных аварий и деградация природных экосистем становятся реальным препятствием для устойчивого социально-экономического развития России и требуют безотлагательных мер на всех уровнях.

Военная деятельность относится к экологически опасным видам деятельности человека. По своему характеру степень воздействия воинской части на окружающую среду следует рассматривать в следующих направлениях:

• во-первых, в силу специфики деятельности воинской части – это источники специфических потенциальных и реальных загрязнений;

• во-вторых, воинская часть в ходе своей в ходе повседневной деятельности производит загрязнения окружающей среды;

• в-третьих, воинская часть должна принимать необходимые меры для обеспечения безопасности и сохранения здоровья личного состава, членов семей военнослужащих и населения.

Вредное воздействие на окружающую среду оказывают не только экологически опасные военные объекты, но и другие объекты, на которых эксплуатируется, хранится и утилизируется вооружение и военная техника, проводится боевая подготовка войск, протекает жизнь и быт личного состава воинских частей и подразделений. Повсеместное загрязнение окружающей среды разнообразными веществами, подчас совершенно чуждыми для нормального существования людей, представляет серьезную опасность для нашего здоровья и благополучия будущих поколений. Поэтому проблема обеспечения экологической безопасности – важная составляющая деятельности воинской части.

Как показали исследования, особое значение в вопросах загрязнения имеют нефтепродукты. Наиболее многочисленную и характерную для воинских частей группу источников загрязнения окружающей природной среды образуют объекты потребления нефтепродуктов – боевая техника, транспортные средства, тепловые и энергетические установки, а также склады горюче-смазочных материалов, заправочные пункты, парки и ремонтные предприятия. Возможные виды отходов и потерь нефтепродуктов в воинской части объединяются в три основные группы.

Первую группуобразуют отходы и потери, имеющие место при соблюдении установленного порядка и правил обслуживания военной техники и работы с нефтепродуктами, такие, как:

• испарение при перекачках и в процессе хранения;

• отстой, сливаемый из резервуаров складов, топливозаправщиков, заправочных пунктов и баков, установленных на технике;

• осадки, удаляемые при зачистке резервуаров складов и топливных систем технических средств (автомобилей, котельных и т.п.);

• отработанные масла, сливаемые из картеров двигателей, трансмиссий, воздухоочистителей и других узлов и механизмов;

• растворители нефтяного происхождения (бензин, керосин и др.), применявшиеся для промывки механизмов при обслуживании техники;

• остатки проб после заполнения анализов в процессе контроля качества нефтепродуктов;

• сточные воды, поступающие с моек автомобильной и другой техники;

• технологический конденсат котельных установок, поступающий из резервуаров складов мазута;

• ливневые и талые воды, стекающие с территорий складов ГСМ, заправочных пунктов и парков.

Вторую группу загрязнений образуют потери нефтепродуктов, возникающие при нарушении установленных правил эксплуатации, включающие:

• утечку через неплотности запорной и раздаточной арматуры, резервуаров, перекачивающих устройств и через сливные устройства систем смазки;

• проливы при заправке техники на заправочных пунктах;

• проливы при переполнении резервуаров;

• аварийные проливы в результате разрушения резервуаров, перекачивающих и транспортных средств.

Неисправность запорной и другой арматуры топливозаправщиков, арматуры на складах ГСМ и заправочных пунктах является причиной загрязнения почвы и водоёмов нефтепродуктами.

Третью группу загрязнения природной среды нефтепродуктами образуют: отработанные масла и растворители, накапливающиеся на пунктах технического обслуживания автомобильной и специальной техники, а также остатки топлив, собираемые при зачистке резервуаров.

Как показали исследования, один грамм бензина, керосина или дизельного топлива делает непригодным для употребления 2000 л воды. Образующаяся на поверхности водоёма нефтяная плёнка нарушает газообмен с атмосферой, содержание растворённого в воде кислорода уменьшается, в результате чего жизнедеятельность обитателей водоёма угнетается вплоть до их гибели. Тяжелые фракции нефтепродуктов оседают на водной растительности, на дне и берегах водоёмов, создавая длительно действующий источник загрязнения. При попадании на грунт нефтепродукты нарушают жизненные процессы, протекающие в его поверхностном слое. Страдают от загрязнения среды нефтепродуктами растительный и животный мир, и сам человек.

Цель военно-научной работы состоит в рассмотрении экологических проблемы загрязнения окружающей среды нефтепродуктами в ходе повседневной деятельности войск и проведении анализа влияния различных нефтепродуктов на организм человека, биосферу, выявлении наиболее эффективных методов и технологий очистки нефтяных загрязнений в различных средах.

В работе затрагивается вопрос моделирования воздействия разливов нефти и оценки последствий с помощью применения современных информационных технологий для обеспечения экологической безопасности воинской части.

1. Экологические проблемы повседневной деятельности воинской части

1.1. Понятие и сущность экологической безопасности

Под обеспечением экологической безопасности войск (сил)понимается комплекс мер правового, нормативного, организационно-технического, социально-экономического, воспитательного и иного характера, проводимых в Вооружённых Силах Российской Федерации в мирное и военное время для защиты жизненно важных интересов личного состава и населения, а также сохранения и восстановления окружающей среды, рационального использования и воспроизводства природных ресурсов, предотвращения (минимизации) негативного воздействия военной деятельности на окружающую среду и ликвидации негативных последствий этой деятельности на территориях (акваториях) военных объектов.

Необходимость обеспечения экологической безопасности деятельности воинской части определяется следующими обстоятельствами:

• принципиальной невозможностью создания экологически чистого вооружения и военной техники;

• наличием в воинской части мощных потенциальных источников экологической опасности;

• наличием в воинской части реальных, постоянно и временно действующих источников вредного воздействия на окружающую природную среду и человека, образующих или использующих высокотоксичные компоненты ракетных топлив (КРТ), высокочастотные излучения, сильнодействующие ядовитые вещества (СДЯВ), твёрдые и жидкие радиоактивные продукты, другие техногенные загрязнения, нефтепродукты.

1.2. Действие нефтепродуктов на человека

Нефтепродукты – токсиканты IV класса опасности.

Токсичность нефтепродуктов и выделяющихся из них газов определяется, главным образом, сочетанием углеводородов, входящих в их состав. Тяжёлые бензины являются более токсичными по сравнению с лёгкими, а токсичность смеси углеводородов выше токсичности её отдельных компонентов. Значительно возрастает токсичность нефтепродуктов при переработке сернистых нефтей. Наиболее вредной для организма человека является комбинация углеводорода и сероводорода. В этом случае токсичность проявляется быстрее, чем при изолированном их действии.

Все углеводороды влияют на сердечнососудистую систему и на показатели крови (снижение содержания гемоглобина и эритроцитов), возможно поражение печени, нарушение деятельности эндокринных желёз. Особенности воздействия паров нефти связаны с её составом. Нефть, бедная ароматическими углеводородами, по своему действию приближается к бензиновым фракциям. Большое воздействие оказывает жидкая нефть на кожу, вызывая дерматиты и экземы.

При попадании паров автомобильного бензина через дыхательные пути или в результате всасывания в кровь из желудочно-кишечного тракта, происходит частичное растворение жиров и липидов организма. Бензин поражает центральную нервную систему, может вызвать острые и хронические отравления, иногда со смертельным исходом. Раздражение рецепторов вызывает возбуждение в коре головного мозга, которое вовлекает в процесс подавления органы зрения и слуха. При остром отравлении бензином состояние напоминает алкогольное опьянение. Оно наступает при концентрации паров бензина в воздухе 0.005–0.01 мг/м³. При концентрации 0.5 мг/м³ смерть наступает почти мгновенно. В результате частых повторных отравлений бензином развиваются нервные расстройства, хотя при многократных воздействиях небольших количеств может возникнуть привыкание (понижение чувствительности).

Общее действие керосина сходно с действием бензина, хотя раздражающее влияние его паров на слизистые ткани значительно сильнее. По токсическим концентрациям пары керосина близки к парам бензина, но они воздействуют и на кожу подобно мазутам, газойлям, смазкам, вызывая дерматиты и экземы.

Предельные углеводороды химически наиболее инертны, но всё же являются токсикантами. С увеличением числа атомов углерода сила наркотического воздействия их растёт, а собственное воздействие ослабляется ничтожной растворимостью в воде и крови. Характерна неустойчивость реакций центральной нервной системы, возникающая под влиянием паров углеводородов. Это проявляется не только при высоких, но и при низких (пороговых) концентрациях. Токсичность усиливается в присутствии H₂S и при повышении температуры.

Природный газ по действию идентичен влиянию предельных углеводородов, и главная опасность его связана с удушьем при недостатке кислорода. Это может происходить при большом содержании в воздухе, когда парциальное давление и удельное содержание кислорода резко уменьшаются. Природные газы, содержащие H₂S, очень токсичны. Известно большое число смертельных отравлений такими газовыми смесями. Освобождённый от H₂S природный газ при концентрациях около 20 % не даёт токсического эффекта.

При комбинированном воздействии в сочетании с различными углеводородами может изменяться характер их токсического влияния, так называемый синергизм действия нефтепродуктов.

1.3. Технологии ликвидации нефтяных загрязнений

1.3.1. Основные методы ликвидации нефтяных загрязнений на почве

Загрязнение нефтепродуктами является наиболее распространённым в воинской части видом загрязнения, за которые предъявляется наибольшее количество штрафных санкций. Устранение этого вида загрязнения в большинстве случаев является сложной научно-технической задачей, требующей больших затрат финансовых и других ресурсов, применения современных технологий.

Для иллюстрации сложности решения таких задач приведена схема наиболее распространенного вида загрязнения нефтепродуктами – подземного загрязнения, или так называемая подземная «линза» (рисунок 1). Протечка с заглубленного хранилища нефтепродуктов приводит к пропитыванию подземных слоев грунта на большую глубину и загрязнению грунтовых вод. Глубина пропитывания может достигать 10–20 метров. На небольших глубинах (до 0,5 метров) загрязнение нефтепродуктами, после устранения источника загрязнения, может быть ликвидировано биопрепаратами – специальными микроорганизмами, разрушающими нефтепродукты с выделением воды и углекислого газа. Эти биопрепараты действуют при температурах окружающего воздуха не ниже 10 С. Поэтому при больших масштабах загрязнения очистка и рекультивация может занять 2–3 года и более. На больших глубинах могут быть применены анаэробные бактерии, однако они действуют гораздо медленнее аэробных и сроки очистки достигают 10 и более лет. При весеннем таянии снегов, интенсивных дождях нефтегрязнение вымывается из пропитанных грунтов и может попадать в водозаборы, водоёмы, водохранилища различного назначения, высачиваться на поверхность земли и т.д. Поэтому очистка пропитанных нефтепродуктами подземных грунтов представляет собой одну из самых сложных задач.

Источниками нефтезагрязнений природной среды на военных объектах и в районах действий войск являются непосредственно авто-, бронетехника, корабли и суда ВМФ, прочая военная техника.

Наибольшая вероятность нефтезагрязнения природной среды, в частности, морских вод, связана с кораблями и судами ВМФ. Это обусловлено тем, что ввиду несовершенства (или отсутствия) необходимых технических средств с промывочными, льяльными и балластными водами в моря сбрасываются нефтепродукты в виде водонефтяных эмульсий.

На военных объектах и в районах действий войск происходит нефтезагрязнение следующих компонентов природной среды: земель – почв, грунтов зоны аэрации; поверхностных водных объектов – водоёмов, водотоков; морских вод; подземных вод.

Нефтезагрязнения природных сред могут оказывать негативное воздействие на все звенья экосистемы. Попадая в природные объекты, нефтепродукты нарушают процессы фотосинтеза, кислородный и углеводородный обмен, процессы естественного круговорота органических и минеральных веществ, отрицательно воздействуют на развитие природных биоценозов, приводят к гибели отдельных звеньев экосистем. Накопление их в тканях и клетках местной флоры и фауны, загрязнение источников питьевого водоснабжения может привести к длительному нарушению нормальной жизнедеятельности населения.

В настоящее время не определены значения предельно-допустимых концентраций нефтепродуктов для почв. Исключение составляет бензин, ПДК которого в почве – 0,1 мг/кг почвы.

В соответствии с «Временным классификатором промышленных отходов и методическими рекомендациями по определению класса токсичности промышленных отходов» (Минздрав СССР, ГК НТ СССР, 1987 г.) почвы, загрязненные нефтепродуктом, относятся к 3-му классу токсичности.

Для водных объектов установлены следующие значения ПДК нефтепродуктов:

для водоёмов питьевого значения – 0,1 мг/л;

для водоёмов рыбо-хозяйственного значения – 0,05 мг/л.

Источниками нефтезагрязнений часто являются мазутные хозяйства котельных, работающих на этом виде топлива, включающие комплекс сооружений, состоящий из приемно-сливных устройств, резервуаров для хранения мазута, мазутнонасосной станции и соединительных трубопроводов. Наибольшее количество нефтезагрязнений связано с аварийными ситуациями на прикотельных хранилищах мазута, в результате которых происходит аварийных разлив топлива на рельеф местности. С целью снижения вероятности таких загрязнений в последние годы наметилась тенденция перехода работы котельных на другие виды топлива прежде всего на газовое.

Среди методов ликвидации нефтяных загрязнений почв выделяются следующие группы методов:

1. Механические.

   • Обваловка загрязнения, откачка нефти в ёмкости насосами и вакуумными сборщиками. Проблема очистки при просачивании нефти в грунт не решается, замена почвы. Вывоз почвы на свалку для естественного разложения.

2. Физико-химические.

   • Сжигание (экстренная мера при угрозе прорыва нефти в водные источники). В зависимости от типа нефти и нефтепродукта таким путём уничтожается от 1/2 до 2/3 разлива, остальное просачивается в почву. При сжигании из-за недостаточно высокой температуры в атмосферу попадают продукты возгонки и неполного окисления нефти. Землю после сжигания необходимо вывозить на свалку (так называемая «горелая земля»).

   • Предотвращение возгорания. Применяется при разливах в цехах, жилых кварталах, на автомагистралях, где возгорание опаснее загрязнения почвы; в этом случае 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 производится их разделение и очистка.

   • Дренирование почвы. Разновидность промывки почвы на месте с помощью дренажных систем; может сочетаться с биологическими методами, использующими нефтеразлагающие бактерии.

   • Экстракция растворителями. Обычно осуществляется в промывных барабанах летучими растворителями с последующей отгонкой их остатков паром.

   • Сорбция. Сорбентами засыпают разливы нефтепродуктов на сравнительно твёрдой поверхности (асфальте, бетоне, утрамбованном грунте) для поглощения нефтепродукта и снижения опасности пожара.

   • Термическая десорбция (крекинг). Применяется при наличии соответствующего оборудования, но позволяет получать полезные продукты вплоть до мазутных фракций.

   • Химическое капсулирование. Новый метод, заключающийся в переводе углеводородов в неподвижную нетоксическую форму.

3. Биологические.

   • Биоремидиация. Применение нефтеразлагающих бактерий; необходима запашка культуры в почву, периодические подкормки растворами удобрений; ограничения по глубине обработке, температуре почвы; процесс занимает 2–3 сезона.

   • Фитомелиорация. Устранение остатков нефти путём высева нефтестойких трав (клевер ползучий, щавель, осока), активизирующих почвенную микрофлору; является окончательной стадией рекультивации загрязнённых почв.

Используя созданные бактериальные препараты, расщепляющие нефть, выполняется ряд работ в естественных условиях по очистке водоёмов, загрязнённых территорий, очищение загрязнённых нефтью сточных вод.

В настоящее время рекультивация нефтезагрязненных земель проводится, как правило, без достаточного научного обоснования. При сжигании нефти, засыпке загрязнённых участков грунтом, вывозе загрязнённой почвы в отвалы, т.е. при ликвидации разливов нефти на почвы последствием часто может быть необратимое уничтожение плодородного слоя почвы. Такие способы рекультивации совершенно неприемлемы. Механические и физические методы не могут обеспечить полного удаления нефти и нефтепродуктов с почвы, а процесс естественного разложения их в почвах чрезвычайно длителен, поэтому в настоящее время наиболее приемлемыми являются биологические методы, так как они не наносят экосистеме больший вред, чем тот, который уже нанесен при загрязнении, и процесс очищения почвы значительно быстрее по сравнению с другими методами рекультивации.

1.3.2. Методы ликвидации разливов нефти и нефтепродуктов в воде

Разлив нефтепродуктов на воде является очень серьезной экологической катастрофой, последствия которой губительны для всего живого.

От разливов нефти страдают мелкие живые организмы, флора, птицы и многие морские млекопитающие.

Нефть является продуктом длительного распада и очень быстро покрывает поверхность вод плотным слоем нефтяной плёнки, которая препятствует доступу воздуха и света. Она склеивает перья птиц, при этом они теряют свою возможность сохранять тепло и плавать.

Чтобы не допустить таких последствий необходимо оперативно устранить последствия разлива нефтепродуктов в водоёмах.

Для данной цели используются различные средства: откачка нефти при помощи насосов, а также применение различных сорбентов и других способных впитывать нефтепродукты.

Все загрязнения, спущенные в воду, рано или поздно попадают в Мировой океан. Если эти вещества с трудом разлагаются (как, например, нефтепродукты) и могут накапливаться в морских организмах, то они неизбежно повредят человеку. Состояние морей можно определить как «биологическую мину замедленного действия», часы которой отсчитывают минуты.

Судьба нефти, попавшей в море у берега и вдали от берегов, различна. При катастрофе танкеров в открытом море не требуется каких-либо мер по борьбе с нефтью. Слой быстро разбивается волнами и ветром, а затем подвергается естественным процессам разложения. При ликвидации разливов нефти вблизи берегов приходится действовать оперативно. Результат будет зависеть также и от географических и метеорологических условий на месте катастрофы. Негативным примером служит гибель танкера «Престиж», изливавшего мазут у берегов Испании.

Груз из потерпевшего аварию танкера стараются перекачать на другие суда, чтобы предотвратить или хотя бы уменьшить загрязнение моря. Если на море штиль или волнение невелико, аварийный танкер окружают бонами из плавающих надутых воздухом шлангов, которые препятствуют дальнейшему расплыванию нефтяного пятна и позволяют вычерпать или собрать насосами пролившуюся нефть. Существует целый ряд эффективных технических систем для сбора разлившейся нефти, но они могут работать лишь при сравнительно спокойном море.

Основная часть попадающей в море нефти поступает из городов, с промышленных предприятий, стоящих на берегах морей и рек, этих поступлений до 40 %. Еще 26 % нефти попадает в океан с буровых установок и танкеров, и лишь седьмая часть этого количества – в результате аварий. Для безопасности пустые танкеры при порожнем рейсе требуется заливать морской водой в качестве балласта (раньше эту смешанную с остатками нефти воду просто сливали за борт!). Теперь международными соглашениями, достигнутыми в рамках ООН, установлены запретные зоны, где не разрешается сбрасывать воды в море; указаны также максимально допустимые количества таких вод и для тех районов, где их сброс разрешен. Смесь воды с нефтью откачивается в специальный танк, где нефть отделяется, а вода, ставшая почти чистой, сбрасывается в море. Оставшуюся в танкере нефть смешивают с новым грузом нефти. Эта система сейчас внедрена на 80 % мирового парка танкеров. Благодаря ей океаны избавлены от возможного загрязнения 5 млн т нефти ежегодно.

Нефтяное загрязнение поверхностных вод является тем техногенным фактором, который влияет на формирование и протекание гидрохимических и гидрологических процессов в морях, океанах и внутренних бассейнах, изменяя фоновое состояние природной среды. Атмосфера способствует испарению летучих фракций нефти. Они подвергаются атмосферному окислению и переносу и могут вернуться на землю или в океан. Местом контакта атмосферы с морскими водами является поверхностный микрослой, в котором происходит концентрирование углеводородов. Это объясняется их свойствами, прежде всего несколько меньшей плотностью по сравнению с плотностью воды (морской) и незначительной водорастворимостью. Осуществляется и постоянный отток нефтяных углеводородов из поверхностного микрослоя путём испарения легких фракций и с брызгами, а также оседанием за счёт комочков нефти.

В пределах водной толщи нефтяные продукты могут присутствовать в виде раствора, эмульсий или полутвёрдых частиц. Основное поступление нефти в водную толщу происходит через поверхность, поэтому вблизи поверхности её концентрация выше. Концентрация растворимых или диспергированных нефтяных углеводородов в верхних 10 м океана сильно меняется в зависимости от места отбора проб. Предполагают, что существует фон в несколько миллиграммов на литр, характерный для большей части Атлантического, Тихого и Индийского океанов, и с несколько более высокой концентрацией в Средиземном и Балтийском морях. Часть нефтепродуктов достигает дна, и общие концентрации в донных отложениях меняются от 1 мкг/г (в осадках глубоких океанских и арктических районов) до 60 000 мкг/г в активной зоне просачивания.

Миграция нефти и нефтепродуктов в водной среде осуществляется в плёночной, эмульгированной и растворённой формах, а также в виде нефтяных агрегатов. При попадании нефти в воду сразу же образуется поверхностная плёнка, которая подвергается множеству физических, химических, биохимических и механических процессов: испарение, эмульгирование, растворение, окисление, биодеградация, осаждение. Учитывая постоянно возрастающие масштабы нефтяного загрязнения, его распределения в поверхностных водах, решение стараются найти в самоочищающей способности водоёмов. Понятие самоочищения включает совокупность всех природных процессов, обусловливающих распад и трансформацию загрязняющих веществ и восстановление первоначальных свойств и состава водной среды. Оценку самоочищения дают по отношению к легко окисляемому органическому веществу, определяемому по показателям БПК (биологическое потребление кислорода) или ХПК (общее химическое потребление кислорода).

При попадании нефти в воду одним из начальных процессов самоочищения водоёма является испарение. Оно касается, в основном, летучих фракций нефти. Наиболее интенсивно этот процесс идёт в первые часы. Уже через 0,5 часа после попадания нефти на водной поверхности летучих её соединений не остается. К концу первых суток испаряется 50 % летучих соединений, содержащих C₁₃ и C₁₄, к концу третьей недели – 50 % соединений C₁₇. При температуре 20–22 °С испаряется до 80 % технического бензина, 22 % керосина, до 15 % нефти и до 0,3 % мазута. В целом потери при испарении составляют до 2/3 от всей массы разлитой по водной поверхности нефти.

Скорость испарения зависит от плотности нефти или нефтепродукта, температуры среды и степени растекания на водной поверхности. Чем быстрее растекается нефть, тем быстрее она испаряется, ветер, течения увеличивают горизонтальные размеры нефтяного пятна и также способствуют её испарению.

В связи с процессом испарения нефтяных углеводородов (частично и с растворением в воде) плотность и вязкость нефтяной пленки постепенно увеличиваются, поверхностное натяжение уменьшается, растекание прекращается. Волны и течения вызывают развитие турбулентных движений, и нефтяная пленка распадается на отдельные капли. Нефть быстро абсорбирует воду (до 80 % её объёма) и формирует эмульсию типа «вода в нефти». Процесс зависит от ветра, волнения, вертикальной турбулентности, температуры воды, наличия взвесей и твёрдых частиц. Помимо эмульсии «вода в нефти» образуется эмульсия типа «нефть в воде», особенно при участии диспергирующих химических соединений. Происходит образование мельчайших капель нефти, что резко увеличивает поверхность раздела сред и способствует ускорению процессов разрушения нефтяных углеводородов. Размер агрегатов колеблется от миллиметра до сантиметра, под действием сил тяжести они оседают на дно. В их состав входят в основном парафиновые и ароматические углеводороды, и эти очень стойкие образования существуют годами.

1.4. Современные технологии очистки нефтяных загрязнений

Известно, что 2 г нефти в килограмме почвы делают её непригодной для жизни растений и почвенной микрофлоры, 1 л нефти лишает кислорода 40 тыс. л воды, 1 т нефти загрязняет 12 км² водной поверхности. При концентрации нефти в воде в количестве 0,10–0,01 мг/л икринки рыб погибают за несколько суток. Достаточно вылить в воду 1 л нефти, чтобы погубить более 100 млн личинок рыб и других морских организмов, а в воды рек, озёр и Мирового океана ежегодно по различным причинам поступают миллионы тонн нефти. Космической съёмкой зафиксировано, что уже почти 30 % поверхности океана покрыто нефтяной плёнкой, особенно загрязнены воды Средиземного моря, Атлантики и их берега.

Систематически происходят аварийные разливы нефти в России, обусловленные как изношенностью трубопроводов и оборудования, так и несоблюдением технологической дисциплины. Потери нефти и нефтепродуктов в России за счёт аварийных ситуаций и несоблюдения технологической дисциплины достигают 4,8 млн т ежегодно; 30 % загрязнений нефтью приходится на бытовые и промышленные отходы, 27 % – на суда, 12 % – на аварии танкеров и нефтяных платформ, 7 % – на атмосферные осадки, 24 % загрязнений поступает со дна океана из естественных источников. Очевидно, что подобное положение дел в части загрязнения биосферы нефтью настоятельно требует разработки специальных норм по экологической безопасности.

Таким образом, своевременная и эффективная очистка почвы и водных источников в зоне воинских частей является основной экологической задачей. Задача может быть успешно решена путём применения нефтяных сорбентов для сбора нефтяных загрязнений.

Сейчас в мире производится или используется для ликвидации разливов нефти около двух сотен различных сорбентов, которые подразделяют на неорганические, природные органические и органоминеральные, а также синтетические. Качество сорбентов определяется, главным образом, их ёмкостью по отношению к нефти, степенью гидрофобности, плавучестью после сорбции нефти, возможностью десорбции нефти, регенерации или утилизации сорбента. Применение сорбентов может сочетаться с механическими методами сбора нефти. При этом механические методы могут применяться как до, так и после применения сорбентов, фиксирующих нефть и предотвращающих образование эмульсий.

К неорганическим сорбентам относятся глины различных видов, диатомитовые породы (главным образом, рыхлый диатомит – кизельгур), песок, цеолиты, туфы, пемза и т.п. Именно глина и диатомиты составляют большую часть товара на рынке сорбентов в силу их низкой стоимости и возможности крупнотоннажного производства. Сорбентом является и песок, часто используемый для засыпки небольших разливов нефти и нефтепродуктов. Однако качество неорганических сорбентов совершенно неприемлемо с экологической точки зрения. Прежде всего, они имеют очень низкую ёмкость (70–150 % по нефти и совершенно не удерживают легкие фракции типа бензина, керосина, дизельного топлива). При ликвидации разливов нефти на воде неорганические сорбенты тонут месте с нефтью, не решая проблемы очистки воды от загрязнений. Единственным методом утилизации сорбентов является их промывка экстрагентами или водой с ПАВ, а также выжигание.

Синтетические сорбенты чаще всего используют в странах с высокоразвитой нефтехимической промышленностью (США, страны ЕЭС, Япония). В основном их изготовляют из полипропиленовых волокон, формуемых в нетканые рулонные материалы разной толщины. Кроме того, используют полиуретан в губчатом или гранулированном виде, формованный полиэтилен с полимерными наполнителями и другие виды пластиков.

В качестве примера на рис. 2 показана принципиальная схема для удаления нефтепродуктов и масел с использованием пенополиуретана (высота слоя материала – 2–2,5 м, размер кусков пенополиуретана – 5–10 мм, скорость фильтрования – до 25 м/ч).

Рисунок 2 – Фильтр с пенополиуретановой загрузкой:

1 – слой пенополиуретана; 2 – камера; 3 – элеватор; 4 – направляющие ролики; 5 – лента; 6 – ороситель; 7 – отжимные ролики; 8 – ёмкость для регенерата; 9 – решётчатая перегородка.

Такие фильтры могут быть использованы при концентрации нефтепродуктов в исходной сточной воде до 1000 мг/л. Сточная вода подаётся сверху, проходит через слой материала, освобождаясь от частичек нефтепродуктов. После насыщения материала нефтепродуктом проводят его регенерацию трёхкратным механическим сжатием с промывкой водой. Материал подаётся на ленту элеватором и пропускается через отжимные ролики.

Природные органические и органоминеральные сорбенты являются наиболее перспективными для ликвидации нефтяных загрязнений. Чаще всего применяют древесную щепу и опилки, модифицированный торф, высушенные зернопродукты, шерсть, макулатуру.

Эффективным сорбентом нефтепродуктов являются отходы производства льна, которые в настоящее время, в основном, сжигаются. Поэтому перспективной является разработка технологии получения из льна нефтяного сорбента и активированного угля.

Основным сырьём для производства нефтяного сорбента и активированного угля является костра, производство которой в настоящее время в России составляет около 195 тыс. т/год. На нужды строительства (костроплиты) и как топливо используется около 40 % этого количества. Если из оставшегося количества (60 %, 120 тыс. т) поровну производить нефтяной сорбент и активированный уголь, то стоимость произведённой продукции может достигать величины $42 млн. Даже если суммарная стоимость установок по производству нефтяного сорбента и активированного угля составит $10 млн, то выгода организации этого производства очевидна. Эта программа также позволит более полно использовать льнопродукцию и существенно улучшить экологическую обстановку в районе льнозаводов за счёт существенного сокращения неорганизованных отвалов костры. Опилки хорошо впитывают нефть и нефтепродукты, но ещё лучше впитывают влагу, поэтому необходима пропитка опилок после их глубокой сушки водоотталкивающими составами, например, жирными кислотами. Образуемое гидрофобное покрытие обеспечивает хорошее качество нефтяных сорбентов, но является весьма недолговечным. Аналогичным образом обстоит дело и с торфом, который намного превосходит по своей потенциальной сорбционной способности опилки и даже шерсть (во всяком случае, некоторые разновидности верхового торфа моховой группы).

Применение сорбентов включает их рассев вручную, механическими или пневматическими устройствами над загрязнённой поверхностью и последующий сбор конгломерата из пропитанного нефтью сорбента. Извлечение нефти из сорбентов может быть произведено компрессионными (отжим на фильтр-прессах, в центрифугах) или термическими методами (отгонка летучих фракций нефти путём нагрева сорбентов без доступа воздуха до 250–300 °С). Степень извлечения нефти из сорбентов определяется качеством нефти, а именно – содержанием в ней маловязких и летучих фракций. Компрессионные методы являются более дешёвыми, но при их использовании нарушается структура сорбентов и их ёмкость, при последующем использовании обеспечивается большая кратность регенерации сорбентов. Их можно использовать лишь с учётом термостойкости сорбирующего материала.

Отработанный сорбент можно формировать в топливные брикеты или использовать в качестве смолистых добавок в асфальтовые смеси или кровельные материалы.

Новым решением в области использования сорбентов является безреагентная физико-химическая обработка естественных материалов (торф, опилки, отходы переработки сельскохозяйственных продуктов) с получением нефтяных сорбентов.

Основными достоинствами этих сорбентов являются экологическая чистота, широкая сырьевая база, высокая гидрофобность и нефтеёмкость при сравнительно низкой стоимости.

Технология применения нефтяных сорбентов мало отличается от известной технологии применения других сорбентов и является частью комплекса мероприятий по очистке окружающей среды от нефтяных загрязнений. Образуемый с нефтью конгломерат легко извлекается сачками из сетки с ячейками 1–3 мм. Магнитный сорбент собирается простыми магнитными системами с напряженностью поля до 100 кА/м.

Перспективными сорбентами нефтепродуктов являются сорбенты на основе шелухи гречихи (ГС) и шелухи риса (РС). Их действие оказывается особенно эффективно при сборе тяжёлых нефтяных фракций.

Применение сорбентов ГС и РС позволяет с высокой степенью извлекать нефтепродукты из гидросферы. Эти сорбенты могут являться ресурсообразующими компонентами сложных эколого-экономических звеньев регионов, обеспечивая решение проблем экологизации экономики территориального образования, а также способствовать созданию благоприятных условий для достижения требуемого состояния окружающей среды экономически рациональными способами.

Для производства нефтяных сорбентов наиболее привлекательными являются естественное органическое сырье и отходы производства растительного происхождения. Они, как правило, являются органической частью существующих экосистем. Поэтому сорбенты на их основе в наибольшей степени соответствуют экологическим требованиям.

Помимо перечисленных выше нефтяных сорбентов известно использование для удаления нефти и нефтепродуктов с водной поверхности сорбента на основе гидролизного лигнина. Гидролизный лигнин представляет собой крупнотоннажный отход при гидролизе древесины. Определённое количество сорбента с помощью простейших распылительных средств равномерно распыляют на пятно нефти и нефтепродуктов внутри ограждения или обваловки пятна. В результате процесса сорбции нефти, продолжительность которого зависит от толщины плёнки, образуется пастообразная масса. Эту массу можно собирать механическим способом или транспортировать по водной поверхности в удобное для изъятия место, или отодвинуть от берега во избежание его загрязнения.

Перспективными нефтяными сорбентами могут оказаться сорбенты, полученные из природного органического материала – сапропеля.

Нефтяные сорбенты, полученные из сапропеля, предназначены для удаления нефти, масел, мазута и других нерастворимых в воде органических загрязнений как с поверхности воды, так и с любой твёрдой поверхности в широком диапазоне температур при любой толщине плёнки нефтепродукта.

Нефтяные сапропелевые сорбенты представляют собой порошкообразный материал, изготовляемый из природных органических и органоминеральных материалов с использованием технологий, исключающих применение химических реактивов.

Достоинством нефтяных сапропелевых сорбентов являются: экологическая чистота, обусловленная использованием природного органического сырья, и безреагентная технология их получения; высокая гидрофобность, обеспечивающая плавучесть сорбента до и после поглощения им нефти в течение длительного времени – не менее 72 часов; простота утилизации отработанного сорбента: сжигание или экстракция нефтепродуктов с последующим сжиганием или внесением в почву; сохранение работоспособности при низких отрицательных температурах (до -30 °С).

По соотношению «цена/нефтеёмкость», определяющему экономическую эффективность применения сорбентов для ликвидации нефтяных загрязнений, сапропелевые сорбенты превосходят другие порошковые сорбенты, представленные на российском рынке.

Использование нефтяных сапропелевых сорбентов аналогично применению других порошкообразных сорбентов. При ликвидации нефтяных загрязнений с водной поверхности, прежде всего, производят ликвидацию разлившейся нефти или нефтепродуктов бонами, что является обязательным при любой технологии очистки. Затем производят нанесение сорбента на загрязнённую поверхность любым механизированным или ручным способом до полного поглощения нефтяной плёнки и образования плавучего конгломерата. После этого производят стягивание бонового заграждения, концентрируя сорбент с поглощённой нефтью вблизи места, удобного для сбора, и тем или иным образом удаляют отработанный сорбент с поверхности воды. Резерв времени для локализации нефтяного разлива без существенного ущерба окружающей среде, в зависимости от погодных условий, обычно не должен превышать 24–72 часа с момента аварии. Использование при ликвидации нефтяного загрязнения порошковых сапропелевых сорбентов, сохраняющих плавучесть в течение длительного периода времени, позволяет значительно увеличить резервы времени для проведения подготовительных мероприятий и сбора нефти. Нефтяные сапропелевые сорбенты полностью совместимы со всеми основными видами специального оборудования для нанесения и сбора отработанных порошкообразных сорбентов, традиционно применяемых при ликвидации нефтяных загрязнений. Утилизация отработанных сапропелевых сорбентов возможна следующими путями: сжиганием с целью получения тепловой энергии, предварительной экстракцией нефтепродуктов с последующим сжиганием или внесением сорбента в почву.

В целом, все способы утилизации отработанных сапропелевых сорбентов являются экологически безопасными и не требуют существенных затрат.

Сапропели могут быть также использованы для получения углеродных сорбентов. Этот углеродный сорбент предназначен для сорбционной очистки воды от растворенных органических веществ и нефтепродуктов. Аналогами углеродного сорбента являются отечественные сорбенты типа ДАК, БАУ, ЛАУ и сорбенты зарубежных фирм Norit, Chemviron, Calgon Corp.

По сравнению с аналогом, сапропелевый углеродный сорбент имеет более низкую стоимость при сравнимых технических характеристиках:

– суммарный объём пор – 0,5–1,5 см³/г;

– абсорбционная активность по стандартным маркерам (метиленовый голубой) 50–150 мг/г;

– содержание минеральных примесей 10–20 % массы.

Возможными областями применения углеродных сорбентов являются: дешёвые одноразовые сорбенты для процессов водоподготовки и очистки сточных вод от органических веществ и нефтепродуктов средней и высокой молекулярной массы; носители для приготовления нанесённых сорбентов, в которых сорбирующий агент наносится обычно в виде тонкой плёнки на поверхность носителей. Такие сорбенты перспективны для извлечения примесей и загрязнений ионного характера из растворов, природных и сточных вод, жидких радиоактивных отходов, стоков гальванических и электрохимических производств, извлечения и концентрирования ионов тяжёлых и радиоактивных металлов (например, урана, цезия, мышьяка, хрома, марганца, стронция, циркония и др.).

Среди перспективных неорганических нефтяных сорбентов представляют интерес тонкодисперсные гидросиликаты кальция, полученные из отходов производств минеральных удобрений – фосфогипс и кремнегелевая пыль.

Эти адсорбенты могут успешно применяться для очистки нефтесодержащих сточных вод. Поверхность этого адсорбента позволяет сорбировать 1 г поглотителя до 0,4 г нефти и нефтепродуктов. Адсорбенты имеют низкую стоимость, большую сорбционную ёмкость, обладают высокой механической прочностью и легко регенерируются. Регенерация адсорбента с сорбированными нефтью и нефтепродуктами может быть проведена путём его прокаливания. При этом адсорбированные нефтепродукты выполняют роль горючего и служат дополнительным источником энергии. Регенерированный адсорбент не изменяет своих физико-химических свойств после прокаливания и может применяться в процессах очистки многократно (выдерживает 80–100 циклов). Изготовленный в виде гранул адсорбент обеспечивает степень очистки от нефтепродуктов 99,0–99,5 %.

2. Применение геоинформационных систем для моделирования и анализа последствий аварийных разливов нефти

При решении задач по анализу воздействия разливов нефти на различные объекты наиболее удобным инструментом являются геоинформационные системы (ГИС), которые позволяют моделировать последствия аварийных ситуаций, оценивать экологический и экономический ущерб. Основными опасными объектами (где возможен крупный аварийный разлив нефти и нефтепродуктов), для которых выполняется геоинформационное моделирование, являются резервуары, технологические установки, стационарные резервуары, подвижные цистерны (железнодорожные, автомобильные, танкеры), а также трубопроводы, составными элементами которых являются задвижки, подводные переходы, пересечения с дорожной сетью, точки локального минимума. Перечисленные объекты представляются в геоинформатике в виде точечных, линейных и полигональных объектов. Представление зависит от размеров объекта и выбранного масштаба используемых географических векторных карт местности. Например, в мелких масштабах резервуар представлен как точечный объект, а в крупном масштабе – как полигон. Также важным условием построения различных геоинформационных моделей является разновидность алгоритмов моделирования разливов нефти по рельефу местности и по водной поверхности. Процесс моделирования можно разделить на несколько этапов.

1. Построение трёхмерной модели местности в коридоре прохождения магистрального нефтепровода:

построение геоинформационной модели территории, содержащей различные слои цифровой картографической информации (отметки высот, объекты геодезической сети, дорожная сеть, водные объекты, растительность и др.);

построение на основе отметок высот и изолиний триангуляционной поверхности рельефа (TIN);

создание на основе TIN-модели – регулярной сетки поверхности (GRID).

2. Стекание нефти рассматривается для двух основных случаев: по рельефу местности и по водной поверхности.

2.1. Определение маршрутов стекания нефти по рельефу местности:

на основе 3D модели рельефа местности, характеристик нефти и грунта определяется направление стекания и длина разлива нефти;

места скопления нефти, обычно приуроченные к локальным понижениям рельефа, определяются путем сопоставления «зеркала» поверхности на заданном уровне и рельефа.

Для определения маршрута стекания нефти по местности обязательным условием является построение геоинформационной модели (ГИМ) окрестности трубопровода. Она включает в себя различные слои картографической информации в электронном виде по зоне определённой ширины в коридоре прохождения нефтепроводов и интегрируется с существующей атрибутивной базой данных об объектах нефтепровода. На основе ГИМ нефтепровода с помощью специальных прикладных программных средств ГИС (GRID, Spatial Analyst) строится трёхмерная модель рассматриваемой местности (рис. 3):

Рисунок 3 – Трёхмерная модель местности – основа для моделирования

Для решения задачи определения маршрута стекания нефти необходима гидрологически корректная решетка рельефа. В качестве исходных данных для ее построения используются изолинии рельефа, точечные отметки высот и урезов воды, гидрографическая сеть. Алгоритм определения маршрута стекания нефти включает 4 основных этапа:

построение геоинформационной модели окрестности трубопровода;

построение гидрологически корректной решетки рельефа;

построение решетки направлений и наложение ее на трехмерную модель местности;

построение маршрута стекания по решетке направлений.

2.2. Определение маршрутов стекания нефти по водной поверхности:

Алгоритм расчёта наиболее важных характеристик модели загрязнения и определения маршрута движения можно представить следующим образом:

подготовка и создание картографической базы данных речной сети в виде линейных и полигональных геоинформационных объектов;

определение средневзвешенных динамических характеристик речной сети.

С точки зрения геоинформационного моделирования принципиальным является представление рек в виде линейных или полигональных географических объектов. Это представление зависит от масштаба используемых векторных карт местности (рис. 4):

Рисунок 4 – Моделирование аварийного разлива нефти по полигональным водным объектам

Моделирование аварийного разлива по полигональным водным объектам включает в себя (по рисунку 4):

построение модели фарватера реки на исследуемом участке;

автоматизированный анализ русла реки и расчет направлений течения реки;

ввод необходимых характеристик речной сети (ширина, глубина, скорость течения реки, объём вылившейся нефти);

построение модели движения нефтяного пятна, расчёт числовых характеристик;

создание и вывод текстовой и графической информации по результатам моделирования.

Созданная таким образом геоинформационная модель движения разлившейся нефти по рекам, как полигональным ГИС-объектам, позволяет определить положение и направление движения нефтяного пятна, учитывая такие факторы, как разнонаправленность течений реки и воздействие ветра на распространение нефти по поверхности (рис. 5):

Рисунок 5 – Моделирование движения разлившейся нефти по рекам

Результатом моделирования движения пятна нефти по водной поверхности является расчёт наиболее важных характеристик загрязнения, таких как площадь нефтяного пятна и его длина по фарватеру реки, концентрация загрязнителя в центре пятна.

Данную модель нельзя применять к малым рекам, которые представлены в геоинформационной системе как линейные объекты. Моделирование аварийных разливов нефти по линейным водным объектам включает в себя (рис. 6):

Рисунок 6 – Моделирование разливов нефти по линейным водным объектам

определение маршрута в направлении течения реки;

расчёт средневзвешенных динамических характеристик реки на исследуемом участке;

ввод необходимых характеристик речной сети (ширина, глубина и скорость течения реки, объем вылившейся нефти);

определение характеристик распространения пятна (площадь, концентрация, длина по фронтальной части и др.).

Резервуары в большинстве случаев представлены в виде резервуарного парка. Геоинформационное моделирование выполняется для всех резервуаров в парке, а затем выбирается худший случай по площади и периметру разлива нефти (рис. 7):

Рисунок 7 – Моделирование разливов для резервуарного парка

Геоинформационное моделирование аварийных разливов нефти и нефтепродуктов является сложным многофакторным процессом, включающим в себя целый ряд самостоятельных моделей.

Результаты моделирования аварийных ситуаций при эксплуатации нефтепроводов являются основой для оценки и расчёта вредного воздействия аварийных разливов на население и территорию, а также планирования мероприятий по ликвидации последствий этого разлива: утилизации разлившейся нефти и почвы, расчёта сил и средств для этих работ.

ГИС-технологии позволяют оптимизировать и отображать в картографической форме маршруты выдвижения сил и средств, места складирования и утилизации, создавать схемы оповещения и связи для локализации и ликвидации последствий аварийных разливов нефти.

Применение ГИС для решения задач прогнозирования возможных разливов нефти и оценки воздействия этих разливов на население и прилегающие территории позволяет заблаговременно принять меры по снижению рисков и обеспечению экологической безопасности.

Поиск эффективных и экологически безопасных технологий очистки от нефтяных загрязнений является одной из современных приоритетных задач в области защиты окружающей среды. Существующие способы локализации и ликвидации разливов нефти – контролируемое сжигание, механический сбор, диспергирование – ограничены по применению, зависят от погодных условий, экологической обстановки и т.д.

Перспективным направлением, которое может быть реализовано в широких пределах интенсивности нефтяных загрязнений, является технология, основанная на использовании сорбентов. При выборе сорбционных материалов следует руководствоваться такими параметрами, как величина сорбции, стоимость, доступность, возможность применения вторичных материальных ресурсов, экологическая безопасность утилизации насыщенных сорбентов.

В соответствии с перечисленными критериями выполнен анализ эффективности применяемых сорбентов.

Сорбенты на основе неорганических материалов имеют невысокую нефтеемкость, гидрофильны, требуют дополнительного модифицирования, вызывают трудности с утилизацией. Синтетические сорбенты удобны благодаря хорошей поглотительной способности, доступности, однако отличаются большей стоимостью, сложностью переработки в силу высокой токсичности продуктов горения.

Наиболее привлекательны сорбенты из отходов растительного происхождения. Они, как правило, являются органической частью существующих экосистем и в наибольшей степени соответствуют экологическим требованиям. В качестве таковых можно выделить сорбенты на основе шелухи гречихи и риса, получение которых заключается в высокотемпературной обработке отходов. При этом достигается высокая сорбционная ёмкость и гидрофобизация. Данные сорбенты могут обеспечить экологическую безопасность при нефтезагрязнениях.

В настоящее время ведется разработка технологии получения сорбента из рисовой шелухи. Она включает в себя процессы окусковывания, карбонизации, активации и охлаждения. Анализируются условия проведения этих процессов для выявления оптимальных параметров получения сорбентов с наиболее развитой внутренней поверхностью. В частности исследуется влияние на процесс активации сорбента таких факторов, как обработки водяным паром, инертными газами, водными растворами меди, соединениями фосфора.

Обработка этими веществами способствует развитию микро- и мезопор- материала. Это позволит существенно повысить эффективность сорбента в процессе очистки нефтезагрязненных почв.

Приведенные в настоящей работе данные свидетельствуют о необходимости защиты окружающей среды от нефтяных загрязнений с помощью одного из наиболее эффективных средств – нефтяных сорбентов.

СПИСОК ИНФОРМАЦИОННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. «Временный классификатор промышленных отходов и методические рекомендации по определению класса токсичности промышленных отходов» (Минздрав СССР, ГК НТ СССР, 1987 г.).

2. Богомолов А.И. и др. Химия нефти и газа. – Л.: Химия, 1989.

3. Винокурова Н.Ф., Трушин В.В. Глобальная экология. – М.: Просвещение, 1998. – 270 с.

4. Военная экология: Учебник для высших учебных заведений МО РФ/ Под общ. ред. В.И. Исакова. – МО РФ, 2005. – 976 с.

5. Военная экология: Учеб. для высших военных учебных заведений / Айдаров И.П., Алексеев Б.Н., Бударагин А.В. и др.; под ред. Н.В. Петрухина, А.А. Тарабары, И.А. Постовита. – М.: Изд-во «Русь-СВ», 2000. – 360 с.

6. Вронский В.А. Прикладная экология: Учеб. пособие. – Ростов-на-Дону: Феникс, 1996. – 512 с.

7. Глинка Н.Л. Общая химия: Учеб. пособие для вузов / Под ред. В.А. Рабиновича. – 23-е изд., стереотипное. – Л.: Химия, 1984. – 704 с.

8. Гуревич И.Л. Технология переработки нефти и газа. – М.: Химия, 1972.

9. Коробкин В.И., Передельский Л.В. Экология: Учебник для студентов вузов. – Ростов-н/Д: Изд-во “Феникс”, 2001. – 576 с. – С. 286–307.

10. Нечаев А.П., Ерёменко Т.В. Органическая химия: Учебник для пищ. ин-тов. – М.: Высш. шк., 1985. – 463 с. – С. 123, 145–147.

11. Организация экологической безопасности военной деятельности: Учеб. пособие/ Под общ. ред. В.И. Исакова. – Москва, 2007 – 636 с.

12. Шилов И.А. Экология: Учебник для биол. и мед. спец. вузов. – 3-е изд. – М.: Высш. шк., 2001. – 512 с.

13. Химическая энциклопедия: В 5 т.: т. 3: Меди–Полимерные / Редкол.: Кнунянц И.Л. (гл. ред.) и др. – М.: Большая Российская энцикл., 1992. – 639 с.– С. 227–237.

14. Экологическая безопасность Вооружённых Сил Российской Федерации. Понятийно-терминологический словарь / Под общ. ред. А.С. Михайлова. – М.: Военное изд-во, 2007. – 112 с.

Код для цитирования: Скопировать