Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Источники и риски загрязнения почв на нефтяных месторождениях 7
1.1. Масштабы загрязнению почв нефтью 7
1.2. Источники ириски загрязнения почв при нефтедобычи 10
Глава 2. Миграция нефти в почвах и модификация их физико-химических свойств 16
2.1. Миграция нефти в почвах 16
2.2. Модификация физико-химических свойств почв при загрязнении нефтью 19
Глава 3. Влияние нефти и нефтепродуктов на биоту, микробиологические процессы в почвах и растения 24
3.1. Действие углеводородов нефти на бактерии и грибы в почвах 24
3.2. Влияние нефтяного загрязнения почвы на фототрофные организмы (цианобактерии и водоросли) 30
3.3. Влияние нефти на эмиссию диоксида углерода из почв 33
3.4. Влияние нефтяного загрязнения на микробную трансформацию азота в почвах 33
3.5. Влияние загрязнения почв нефтью на растения 35
Глава 4. Подходы для характеристики и биоиндикации нефтезагрязненных почв 39
4.1. Разработка нормативов допустимого уровня загрязнения почв нефтью 39
4.2. Характеристика химических свойств нефтезагрязненных почв 51
4.3. Биоиндикация и биотестирование загрязнения почв нефтью и нефтепродуктами 54
4.4. Проведение оценки воздействия на окружающую среду (ОВОС) на нефтепромыслах 65
Экспериментальная часть
Глава 5. Объекты и методы исследования 70
5.1. Характеристика региона 70
5.2. Источники загрязнения и мониторинг состояния окружающей среды на газо-нефтяном месторождении Северные Бузачи 76
5.3. Объекты исследования 94
5.4. Методы исследования 101
Результаты и обсуяедение
Глава 6. Мониторинг загрязнения углеводородами нефти соровых солончаков и песчаного грунта площадок с оборудованием 111
Глава 7. Мониторинг загрязнения тяжелыми металлами соровых солончаков и насыпных грунтов площадок с оборудованием 124
Глава 8. Характеристика физико-химических и биологических свойств соровых солончаков и насыпных грунтов площадок с оборудованием 130
8.1. Физико-химические свойства нефтезагрязненных соровых солончаков и насыпных грунтов 130
8.2. Микробиологическая характеристика нефтезагрязненных соровых солончаков и насыпных грунтов 133
8.3. Оценка токсичности нефтезагрязненных соровых солончаков, грунтов, нефтешлама и буровых отходов 146
Выводы 149
Список литературы 152
- Масштабы загрязнению почв нефтью
- Миграция нефти в почвах
- Действие углеводородов нефти на бактерии и грибы в почвах
Введение к работе
Актуальность проблемы. В настоящее время ни один из нефтяных промыслов не относится к "безотходным" производствам. При современном уровне технологий от 1.0 до 16,5% нефти и продуктов ее переработки теряется при добыче, переработке и транспортировке. Мировые потери сырой и товарной (обессоленной) нефти составляют п'107 т/год, из них 20% приходится на Мировой океан, остальные - на почвы и пресные воды (Клименко, 1987).
Контаминация почв нефтью - особый вид загрязнения, который приводит к глубокому изменению всех основных характеристик почвы -морфологических, физических, химических и биологических свойств. Это обусловливает потерю почвами плодородия и отторжению их из сельскохозяйственного землепользования, загрязнению углеводородами нефти и сопутствующими токсическими веществами сопредельных сред и негативному воздействию на живые организмы. Причины этого феномена связаны со сложным составом нефти, часто ее «залповым» поступлением в почвы, высокой подвижностью, способностью циркулировать между различными компонентами экосистем (включая биоту) и персистентностыо.
В Западном Казахстане интенсивно эксплуатируются крупные месторождения нефти и газа. Рост добычи углеводородного сырья значительно осложнил экологическую ситуацию в этом регионе. На производственных площадях нефтепромыслов, вдоль линий нефтепроводов и транспортных коммуникаций, на участках разведочного и геофизического бурения широкое распространение получают антропогенно деградированные почвы. Они возникают из-за механических нарушений почвенного покрова, аварий на скважинах, повреждений и коррозии трубопроводов, прорывов карт с нефтешламом и буровыми отходами, загрязнений сточными водами и из-за выбросов токсичных соединений в атмосферу. В 70-е годы в Западном Казахстане было открыто крупное газо-нефтяное месторождение Северные Бузачи. Его обустройство и добыча нефти начаты в 1998-1999 гг.
Месторождение располагается в депрессии Прикаспийской низменности (Большом соре), на территории которого распространены солончаки соровые и типичные. Засоленность почв, близкое залегание грунтовых вод и экстремальные климатические условия и ряд других причин определяют высокую коррозионную опасность окружающей среды на нефтепромысле и сложность проведения мероприятий по рекультивации почв. Все это указывает, что контроль загрязнения почв и оценки изменений их химических и биологических свойств жизненно необходимо для работы месторождения.
Целью работы было проведение мониторинга содержания углеводородов нефти и тяжелых металлов в соровых солончаках и насыпных грунтах площадок с технологическим оборудованием на месторождении Северные Бузачи и характеристика их химических и микробиологических свойств. Задачи исследования:
Мониторинг содержания углеводородов нефти в почвах на начальном этапе нефтедобычи (1998-2006 гг);
Мониторинг содержания тяжелых металлов в почвах в первые годы нефтедобычи;
3) Характеристика химических свойств нефтезагрязненных соровых
солончаков и насыпных песчано-суглинистых грунтов технологических
площадок месторождения.
4) Оценка изменений микробиологических свойств и биотестирование
соровых солончаков и насыпных грунтов технологических площадок
месторождения при загрязнении нефтью.
Научная новизна. Впервые проведен мониторинг содержания углеводородов нефти и тяжелых металлов в соровых солончаках и насыпных грунтах площадок с оборудованием первых лет нефтедобычи на газонефтяном месторождении в Западном Казахстане. Впервые изучены химические и микробиологические свойства нефтезагрязненных соровых солончаков: определены запасы основных биогенных элементов,
численность разных групп микроорганизмов, биомасса бактерий и грибов,
активность дыхания, азотфиксации, денитрификации и разложения
целлюлозы. Установлено, что соровые солончаки и грунты характеризуются
низкой активностью микробиологических процессов, невысокой
интенсивностью утилизации вносимых субстратов и численностью бактерий (включая углеводородокисляющих), преобладанием в микробном пуле спор, а не мицелия грибов. Показано, что в нефтезагрязненных (100-600 мг углеводородов/кг) солончаках и грунтах повысилось количество копиотрофных и углеводородокисляющих бактерий, упала численность актиномицетов, таксономического разнообразия стрептомицетов, микроскопических грибов, достоверно не изменилось базальное дыхание и разнообразие потребляемых субстратов микробными сообществами. При таком уровне контаминации нефтью в почвах возросло содержание общего углерода, азота и подвижного фосфора, и - потенциальная скорость эмиссии диоксида углерода, азотфиксации и денитрификации. Практическая значимость. Дана оценка загрязнения углеводородами нефти, тяжелыми металлами (Zn, Cd, Pb, Со, Ni, V, Си) и мышьяком соровых солончаков и насыпных грунтов на территории месторождения. Наиболее высокий уровень загрязнения почв, превышающий ПДК или близкий к нему, выявлен для мышьяка, никеля, свинца и цинка.
Подавляющее большинство анализов свидетельствует об уровне контаминации почв нефтью ниже, чем ПДК. Однако необходимо помнить, что ситуация осложняется близким залеганием грунтовых вод в этом регионе, низкой нефтеемкостью и самоочищающей способностью этих почв. В ходе мониторинга периодически (2003 г, 2006 г) выявляли участки нефтепромысла с повышенным содержанием нефти, что являлось основанием для принятия решения по их технической рекультивации.
Биотестирование с использованием Artemia salina L. показало, что буровые отходы и нефтешлам представляют отходы 3-го класса опасности Обнаружены участки земель 4-го класса опасности, что указывает на
необходимость биотестирования почв газо-нефтяного месторождения. Прорастание семян тест-растения Lepidium sativum L. вне зависимости от содержания нефти в соровых солончаках и насыпных грунтах подавлено, причиной чему является солевой токсикоз почв.
Результаты исследований используются в лекционном курсе «Почвенная биотехнология», читаемом на кафедре биологии почв МГУ им.М.В.Ломоносова.
Благодарность.
Автор выражает благодарность президенту Казахстана Назарбаева Н. А., которым была создана программа поддержки научной деятельности молодых специалистов. Благодаря ей был пройден тернистый путь по подготовке данной диссертации.
Автор выражает благодарность за моральную и финансовую поддержку, а также поднятие боевого духа генерального директора АО «КазНИПИмунайгаз» Дорофеева В.И. и главного экономиста Гогатишвили Г.А., которые с пониманием отнеслись к работе автора.
Благодарность профессорам Астраханского государственного технического университета Юрченко Вере Витальевне и Дзержинской Ирине Станиславовне, а также к.б.н. МГУ им. Ломоносова Колотиловой Н.Н. за помощь в идентификации цианобактерий и ценные советы при проведении микробиологических посевов.
Особую благодарность автор выражает сотрудникам компании «Бузачи Оперейтинг Инк.» - Калашниковой Татьяне, Тулешевой Дане и Артемовой Софии - за ценные консультации и непосредственное участие в отборе проб почвы и нефти на месторождении Северные Бузачи, а также моральную поддержку и понимание и их непосредственного начальника менеджера отдела ТБ, 03 и ОС - Гаврилова Романа Александровича.
За помощь в организаторских вопросах, советы и поддержку автор благодарит д.б.н., профессора - Садчикова А.П.
За неоценимую помощь в проведении микробиологических и физико-химических анализов, за неоценимые советы и помощь в написании работы автор выражает благодарность главному человеку, без которого данная работа не могла бы быть полностью законченной - д.б.н., профессору и руководителю Куракову А.В.
Масштабы загрязнению почв нефтью
В настоящее время ни один из нефтяных промыслов не относится к "безотходным" производствам из-за несовершенства технологии добычи или ее нарушений. При современном уровне технологий от 1.0 до 16,5% нефти и продуктов ее переработки теряется при добыче, подготовке, переработке и транспортировке. Величина мировых потерь сырой нефти и товарной нефти (обессоленной) составляет п 107 т/год, из них 20% приходится на Мировой океан, остальные - на почвы и пресные воды (Клименко, 1987). Наибольшую экологическую опасность представляют аварии: фонтанирование скважин, утечки из резервуаров и трубопроводов при разрывах, пожарах, из-за коррозии и т.д. Вероятность возникновения аварийных ситуаций на 1000 м разведочного бурения составляет 0,162, эксплуатационного— 0,03, количество разрывов на выкидных линиях скважин и нефтесборных коллекторов с высоко агрессивными средами— 1,5-2 на 1 км трубопроводов в год. Удельные среднестатистические потери на один разрыв составляют 0,1-0,2 тв сутки.
Отдельные нефтедобывающие регионы по состоянию окружающей среды приближаются к районам экологического бедствия, в которых возникла угроза устойчивой, а часто необратимой трансформации условий функционирования природных экосистем и ухудшения качества жизни людей.
В Западном Казахстане открыты и интенсивно эксплуатируются крупные природные запасы углеводородного сырья - нефти, газа, конденсата. Рост объемов добычи при несовершенстве техники и технологического оборудования значительно осложнил экологическую ситуацию в регионе. Антропогенно деградированные почвы широко распространены на производственных площадях нефтегазодобычи, вдоль линий нефтегазопроводов и транспортных коммуникаций, на участках разведочного и геофизического бурения. Они возникли из-за техногенных (механических) нарушений почвенного покрова, аварийных фонтанированиях скважин и повреждений нефтегазопроводов, сбросов нефтепромысловых сточных вод и химреагентов. Загрязнение происходит в результате аварийного выброса нефти в «амбары», у станков-качалок и на трассе нефтепровода при разрыве труб. Профиль почвы пропитывается сырой нефтью, и образуется плотная битумная корка мощностью 15-20 см и более. В местах аварийного сжигания нефти и газа верхние горизонты почв обугливаются и становятся биологически безжизненными. Нефть высокопарафинистая, характеризуется плотностью 0,8-0,9 %, содержит парафина 20-25%, ароматических веществ - 10-15 и нафтеновых - 20-30 %. Экологическая обстановка местами осложняется из-за наличия очагов радиоактивного загрязнения (Другов, Родин,2000).
Загрязнение почв нефтепродуктами отмечается на всей производственной площади нефтедобычи (Узень, Жетыбай, Каражанбас, Каламкас, Тенгиз и др.) (Хазиев, Фатхиев, 1981). Чрезвычайно сильно, местами тотально, разрушен почвенный покров территории объединения «Мангышлакнефть» на площади 66 тыс.га. Здесь действуют около 8 тыс. эксплуатационных и столько же нагнетательных скважин. На полуострове Мангышлак, кроме того, пробурены десятки геофизических и скважин рабочего бурения на нефть и газ, функционируют 16 карьеров по добыче полезных ископаемых. Столь высокая техногенная нагрузка на относительно ограниченной производственной площади наносит существенный ущерб почвенному покрову и всей экологической среде. В Мангистауской области замазучено около 4 тысяч га. В этой области находится 580 нефтехранилищ, и только за 1999 год там произошло 755 порывов нефтепроводов, при которых произошла 1756,56 нефти (Фаизов и др., 1992). Загрязнение происходит и в результате аварийного выброса нефти в «амбары», у станков-качалок. Нефть этого региона высокопарафинистая, характеризуется плотностью 0,8-0,9 %, содержит парафина 20-25%, ароматических веществ -10-15 и нафтеновых - 20-30 %. Профиль почвы пропитывается сырой нефтью, и образуется плотная битумная корка мощностью 15-20 см и более. В местах аварийного сжигания нефти и газа верхние горизонты почв обугливаются и становятся биологически безжизненными. Вследствие затопления объектов нефтегазового комплекса в Прикаспии происходит загрязнение морских вод и сокращение популяции рыб, тюленей, водоплавающих птиц.
Миграция нефти в почвах
При изучении воздействия нефтяного загрязнения на наземные экосистемы необходимо принимать во внимание способ попадания нефти в окружающую среду и темпы ее миграции. Можно выделить два основных способа загрязнения территории, расположенной в непосредственной близости к месту аварии. Первый - растекание нефти по поверхности почвы, происходящее при размывании стенок шламовых амбаров, нарушении целостности нефтесборных коллекторов, утечек нефти с устья скважин во время испытания и по другим причинам.
Второй способ - разбрызгивание нефти на поверхность почвы при авариях на нефтепроводах, фонтанирования из устья скважин. Токсический эффект от нефти на растения при фонтанировании заметно выше, чем при ее распространении растеканием. Это объясняется тем, что керосиновые фракции нефти обладают гербицидным эффектом контактного действия. Однако восстановление экосистемы загрязненной путем разбрызгивания нефти на почву происходит быстрее, чем после растекания ее по поверхности земли (при равных интервалах концентрации). Преимущественное распространение имеет первый способ попадания нефти в почву (Соромотин, 2000).
После разлива происходит испарение легких фракций и просачивание жидких фракций нефти вглубь почвы. Легкая фракция, куда входят наиболее простые по строению и низкомолекулярные метановые (алканы), нафтеновые (циклопарафины) и ароматические углеводороды - наиболее подвижная часть нефти. Она легко испаряется и мигрирует вниз по почвенному профилю (Квасников, Клюшникова, 1981).
Как свободные, так и малоподвижные формы нефтепродуктов отдают летучие фракции в атмосферу, а растворимые соединения - в воду. Этот процесс полностью не прекращается со временем, так как при микробиологическая трансформация углеводородов приводит вновь к образованию летучих и водорастворимых соединений (Кураков и др, 2006; Другов, 2000).
В почвах нефть и нефтепродукты находятся в следующих формах: S В пористой среде - в парообразном и жидком легкоподвижном состоянии, в свободной или растворенной водной или водно-эмульсионной фазе; S В пористой среде и трещинах - в свободном неподвижном состоянии, играя роль вязкого или твердого цемента между частицами и агрегатами почвы, в сорбированном состоянии, связанном на частицах горной породы или почвы;
S В поверхностном слое почвы или грунта в виде плотной органо минеральной массы.
Процесс загрязнения почв и грунтов нефтью и нефтепродуктами, в частности отходами бурения, можно разделить на 3 стадии. Первая стадия характеризуется преобразованием поверхностного ареала загрязнения и незначительным проникновением нефти в почву. На второй стадии происходит вертикальная инфильтрация жидких компонентов. Третья стадия характеризуется боковой миграцией поллютантов. Характер загрязнения почвогрунтов на второй и третьей стадиях определяется главным образом проницаемостью почв и грунта, их составом, положением зеркала грунтовых вод и временем действия.
Миграции нефти по профилю осуществляется двумя способами: 1) фронтальное просачивание; 2) гравитационное стекание по каналам миграции (Солнцева, 1988). Для верхней части почвенного профиля характерно фронтальное просачивание нефти, что приводит к равномерному пропитыванию нефтью почвенной толщи, В более глубокие горизонты нефть в большей мере проникает уже по ходам корней и трещинам (Трофимов, Розанова, 2002).
Миграция и закрепление нефти и нефтепродуктов в почве зависит от их плотности и вязкости и нефтеемкости-нефтеотдачи почвенных горизонтов и их комбинаций, содержания воды. В ряде случаев, например, при разливах нефти на торфяных почвах, имеет место ситуация, когда ее количество превышает массу поглотившей ее почвы. В условиях влажных субтропиков скорость внутрипочвенного движения нефтяных потоков может достигать 25 м/мес (Пиковский и др., 1988). В ненасыщенных водой почвах нефть передвигается медленнее воды, а у бензина, скорость миграции в 1,5 раза выше скорости движения воды (Солнцева, 1998).
Действие углеводородов нефти на бактерии и грибы в почвах
В низких концентрациях нефть оказывает стимулирующее действие на почвенную микробиоту, так как углеводороды является энергетическим субстратом для многих микроорганизмов (Кураков и др„ 2006). Массированное нефтяное загрязнение почвы, возникающее при аварийных разливах, сопровождается острым токсическим действием нефти на живые организмы. Особенно быстро действуют нормальные алканы с короткой углеродной цепью. Эти углеводороды растворимы в воде и легко проникают в клетки организмов через мембраны. Считается, что жидкие легкокипящие углеводороды растворяют липиды клеток и вызывают расслоение цитоплазматической мембраны (Квасников, Клюшникова, 1981;
Исмаилов, Пиковский, 1988). Нормальные алканы, содержащие в цепочке менее 9 атомов углерода, большинством микроорганизмов не ассимилируются, хотя и могут быть окислены. Вследствие летучести и высокой растворимости действие низкомолекулярных нормальных алканов не долговременно. Если их концентрация не была летальной для организма, то постепенно его нормальная жизнедеятельность восстанавливается. По мере убывания токсичности основные компоненты нефти располагаются в следующем порядке: ароматические углеводороды, циклопарафины, олефины и парафины. Имеются данные о нафтенах (циклоалканах) как стимулирующих веществах на живые организмы, в частности о стимулирующем эффекте сырой нафталанной нефти, состоящей из нафтеновых, ароматических углеводородов и смолистых веществ на культуру цианобактерий Anabaena variabilis.
Нефть, содержащая высокий процент ароматических углеводородов, наиболее токсична. Моноядерные углеводороды - бензол и его гомологи оказывают более быстрое токсическое воздействие на организмы, чем полициклические. Полициклические ароматические углеводороды медленнее проникают через мембраны, действуют более длительное время, являясь хроническими токсикантами (Кураков и др., 2006).
Некоторые виды бактерий и грибов относительно быстро утилизируют и низкомолекулярные моноароматические углеводороды при малых концентрациях в среде, но они токсичны для них в высоких дозах (Fedorak, Westlake, 1981). Например, фенол потребляется полностью при концентрациях 0,25-0,5 г/л, а при концентрации 2 г/л проявляется его ингибирующее действие (Козловский и др., 1993). Углеводороды с цепью от С5 до Сю с большим трудом используются микроорганизмами (Розанова, 1967). Известен ингибирующий эффект легких н-алканов на рост бактерий, например, Escherichia coli и Bacillus cereus (Ishikura, 1961; Квасников, Клюшникова, 1981).
Токсическое воздействие свежего разлива нефти в почву связано, главным образом, с летучими ароматическими углеводородами (толуолом, ксилолом, бензолом), нафталином и некоторыми другими растворимыми в воде соединениями (Griffin, Calder, 1977). Так как эти соединения сравнительно легко и быстро улетучиваются из почвы или разрушаются, период острого токсического действия на микробиоту является относительно коротким.
По мере снижения содержания различных фракций нефти в почве характер отклика в численности КОЕ микроорганизмов, активности почвенных ферментов и микробиологических процессов может диаметрально меняться (Киреева, 2001).
В исследованиях, проведенных на нефтезагрязненных почвах в разных климатических зонах, отмечали повышение общей численности и количества углеводородокисляющих микроорганизмов (Исмаилов, 1988). Загрязнение черноземной пахотной почвы сырой нефтью (до уровня 7,8%) приводило к значительному росту численности гетеротрофных одноклеточных и мицелярных бактерий и грибов (Самосова, Фильченкова, 1983). Сообщали о росте численности спорообразующих бактерий в почвах лесостепной зоны, пропитанных нефтью до глубины 80 см (Мукатанов, Ривкин, 1980). Загрязнение нефтью почв тундры повышало в них численность бактерий почти на порядок, и такая ситуация сохранялась в течение трех лет. Рост количества гетеротрофных бактерий и грибов коррелировал с проникновением нефти в почву. В нефтезагрязненных почвах отмечено повышение численности аэробных психрофильных бактерий и актиномицетов. Однако увеличение численности микроорганизмов при загрязнении почв тундры значительно меньше, чем - в южных регионах (Хомякова, 2003). Одновременно имеются данные, которые свидетельствуют о подавлении активности почвенных микроорганизмов и снижении их разнообразия при нефтяном загрязнении (Самосова, Артемьева, 1978). Указанные противоречия, по-видимому, связаны с различиями в дозах нефти и сроках анализов почв после ее разлива.
Похожие диссертации на Мониторинг загрязнения почв на газо-нефтяном месторождении Северные Бузачи (Казахстан)
