Введение к работе
Актуальность работы. Нефтяная отрасль, играя важнейшую роль в мировой
экономике, является одним из наиболее интенсивных источников загрязнения
окружающей среды. Добыча, транспортировка, переработка, хранение и сбыт нефти и
нефтепродуктов значительно влияют на состояние окружающей среды, приводя к
глубокому изменению всех ее компонентов [Солнцева, Н.П., 1998, Абросимов, А.А.,
2002, Фокина, Л.М., 2007]. В регионах России, где нефтяная промышленность
представлена комплексом предприятий от разведки и добычи до использования
продуктов нефтепереработки и нефтехимии, можно оценить экологические последствия
каждого из технологических этапов жизненного цикла нефти. В районах нефтедобычи
проведены наблюдения за вертикальным распространением нефти, разлитой на
поверхности почвы [Глазовская, М.А., 1988]. Известны наиболее общие этапы
трансформации нефти, попавшей в почву в результате разливов или утечек в местах хранения или транспортировки [Пиковский, Ю.И., 1995, Иларионов, С.А., 2006]. Однако остаются недостаточно проработанными или практически неосвещенными вопросы сравнительного анализа экологической безопасности предприятий добычи, переработки нефти и нефтепродуктов, включая технологические коммуникации нефте- и продуктопроводов, и проблемы защиты сопредельных компонентов природной среды в зоне их влияния. Каждый из этапов жизненного цикла нефти характеризуется индивидуальными особенностями и различной интенсивностью воздействия на окружающую среду. Их оценка особенно актуальна для нефтеносных регионов России, экологическое состояние которых напрямую зависит от деятельности предприятий нефтяной промышленности. И, если добыча и транспортировка нефти могут располагаться вдали от населенных пунктов, то объекты нефтепереработки и нефтехимии, как правило, сосредоточены вблизи крупных городов и водных объектов.
Деятельность предприятий нефтяной промышленности часто сопровождается нарушениями технологического режима, приводящими как к незначительным инцидентам, так и к серьезным авариям и катастрофам, в результате которых происходит интенсивное загрязнение природной среды. Вошедшее в последнее время в природоохранную практику понятие «накопленного экологического ущерба» [Кичигин, Н.В., Пономарев М.В., 2011, ГОСТ Р 54003 - 2010] в значительной степени свойственно для рассматриваемой отрасли промышленности. В связи с этим, особую актуальность приобретают выделение факторов, влияющих на формирование и накопление экологического ущерба прошлых лет, разработка критериев определения объектов накопленного экологического ущерба от предприятий нефтехимического комплекса, определение и целесообразность проведения реабилитации мест локализации нефтезагрязнения, изучение и систематизация ошибок, допущенных в период
строительства, запуска технологических линий и эксплуатации предприятий, которые послужили причиной возникновения отдаленных последствий.
Целью работы является разработка технологий и технических решений для минимизации воздействия нефтехимических комплексов на сопредельные компоненты природной среды с учетом результатов натурных исследований и выявленных закономерностей миграции и перераспределения состава техногенных потоков нефтяных углеводородов; разработка технологии оперативного экологического мониторинга динамичных компонентов природной среды (атмосферного воздуха и воды водотоков) для создания системы управления качеством окружающей среды.
Основные задачи
На основании изучения и систематизации фондовых материалов, проведения комплексной оценки качества объектов природной среды в зоне влияния нефтехимических кластеров, а также результатов мониторинга промышленных выбросов и сточных вод разработать подход к выявлению источников загрязнения путем определения маркерных соединений конкретных предприятий.
По результатам систематического многолетнего исследования показателей загрязнения нефтепродуктами сопредельных компонентов природной среды после крупного разлива нефти в пойме реки Бишинды выявить и дать характеристику техногенных потоков нефтяных углеводородов в грунтах; определить факторы их формирования в пространстве и во времени; установить закономерности внутрипочвенной миграции, физико-химического преобразования исходного состава нефти при ее длительном контакте с грунтами на путях миграции и условия формирования подземных скоплений в виде нефтяных линз.
Создать методологию отнесения нефтезагрязненных территорий в зоне влияния предприятий нефтеперерабатывающей и нефтехимической отрасли к объектам накопленного экологического ущерба; провести анализ существующих критериев; разработать дополнительные критерии для выявления данных объектов и определить условия их формирования.
Провести исследования по подбору оптимальных условий очистки
нефтезагрязненных грунтов в подземных горизонтах и разработать технологию реабилитации объектов накопленного экологического ущерба в подземных горизонтах промплощадок предприятий нефтехимического комплекса и на прилегающих к ним территориях.
На основе проведенных исследований в период ликвидации последствий различных аварийных ситуаций разработать методы оперативной и превентивной защиты водотоков от загрязнения нефтью и нефтепродуктами в зоне расположения
нефтехимических и нефтеперерабатывающих предприятий, систем трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов.
Разработать и предложить к внедрению на территории Республики Башкортостан технологию мониторинга динамичных компонентов природной среды (воды водотоков и атмосферного воздуха) в регионах с высокой концентрацией нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств, основанную на выявленных закономерностях и разработанных алгоритмах с целью оперативного управления качеством окружающей среды.
Научная новизна
По результатам комплексного исследования состояния окружающей среды в зоне влияния нефтехимических кластеров разработан метод определения источников загрязнения депонирующих и динамичных компонентов природной среды нефтью и нефтепродуктами, основанный на выделении маркерных соединений, присущих конкретному производству; предложен метод идентификации нефтепродуктов по наличию в их составе компонентов, характерных для различных видов углеводородного сырья и готовой продукции нефтепереработки.
Установлено, что нефтепродукты, обнаруженные в линзах и грунтах левобережья р. Белой в районе г. Ишимбая, характеризуются наличием углеводородов, входящих в состав дизельного топлива, бензина, нефти и газового конденсата. Обоснованы и опробованы критерии определения временных рамок формирования подземных нефтяных скоплений.
Показано, что техногенный поток нефти и нефтепродуктов, излившийся на
дневную поверхность, распространяется радиально, вплоть до первого водоносного
горизонта. При наличии в почвенном профиле антиклинальных «ловушек»
углеводороды скапливаются в виде линз на поверхности грунтовых вод над первым
водонепроницаемым слоем. Установлена зависимость состава углеводородов,
достигающих водоносный горизонт, от объема излившегося нефтепродукта и
нефтеемкости грунтов, в условиях полного насыщения грунта нефтепродуктами их
состав идентичен исходному продукту. В зоне длительного воздействия предприятий
нефтеперерабатывающего и нефтехимического комплекса с поступлением
загрязняющих веществ в депонирующие компоненты природной среды формируется поток нефтепродуктов, мигрирующий латерально с разгрузкой в водоток.
Определены условия, влияющие на формирование подземных скоплений нефтепродуктов, и обоснованы дополнительные критерии (геоэкологические, экологические и химические) для отнесения их к объектам накопленного экологического ущерба. Предложен критерий оценки интенсивности процессов самоочищения нефтезагрязненных почв, позволяющий определить риск образования
объекта накопленного экологического ущерба. По результатам лабораторного исследования способности к самоочищению от нефтяного загрязнения разных типов почв, характерных для пойменных террас р. Белой, определен ряд по снижению риска формирования подземных скоплений нефти: пойменная почва > чернозем выщелоченный > темно-серая лесная почва.
Впервые исследована внутрипочвенная миграция нефтепродуктов и дана
количественная пространственно-временная оценка процессов формирования
техногенных потоков. Впервые на примере используемой в качестве модельной территории аварийного разлива нефти в пойме р. Бишинды доказана латеральная миграция нефтяных углеводородов на глубине залегания грунтовых вод с формированием оторванного ореола на участке, не подверженном техногенному воздействию во время аварийной ситуации.
В ходе лабораторных и натурных исследований экспериментально проверены и научно обоснованы оптимальные технологические параметры процесса очистки нефтезагрязненных грунтов путем их промывки карбонизированной водой с одновременной подачей диоксида углерода, обеспечивающие высокую эффективность очистки от свободных, слабосвязанных и трудноизвлекаемых нефтепродуктов и многократное увеличение скорости расслоения образующейся водонефтяной эмульсии.
Впервые разработана, не разрушающая почвенный покров, технология очистки нефтезагрязненных грунтов левобережья р. Белой при условии их залегания на глубине < 30 м, основанная на обработке грунтов водоносного горизонта карбонизированной водой и постоянной подаче диоксида углерода с использованием системы нагнетательно-депрессионных скважин, сооруженных в пределах очищаемой территории.
Разработана технология мониторинга динамичных объектов природной среды (поверхностных вод водотоков и атмосферного воздуха) для включения в систему оперативного управления качеством окружающей среды, основанная на принципе автоматизированного контроля маркерных соединений, присущих конкретному источнику, одновременно как в сбросах (выбросах), так и в зонах их воздействия.
На основании математической оценки влияния метеорологических параметров (температуры, влажности, скорости ветра) и источников промышленных выбросов на перенос и рассеивание загрязняющих веществ в атмосфере г. Стерлитамака разработаны эмпирические зависимости комбинированного взаимодействия факторов (факторных регрессий), учитывающие сложные динамические процессы, происходящие в атмосферном воздухе в условиях непрерывного антропогенного загрязнения.
На защиту выносятся:
-
Результаты комплексного исследования объектов природной среды в зоне влияния нефтехимических кластеров центрального и южного промышленных узлов Республики Башкортостан.
-
Характеристика техногенных потоков нефтепродуктов в подземных горизонтах на путях миграции от источника загрязнения до подземных и поверхностных вод, условия формирования подземных скоплений нефти в виде нефтяных линз, образование газовых шапок.
-
Дополнительные критерии (геоэкологические, экологические и химические) определения объектов накопленного экологического ущерба применительно к оценке экологической опасности нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств.
-
Разработанная технология очистки нефтезагрязненных грунтов при глубине их залегания < 30 м, основанная на обработке грунтов водоносного горизонта карбонизированной водой и с постоянной подачей диоксида углерода с использованием системы нагнетательно-депрессионных скважин, сооруженных в пределах очищаемой территории.
-
Оперативные и превентивные технические решения по защите природных водотоков при аварийных разливах нефти и нефтепродуктов.
-
Технология мониторинга динамичных объектов природной среды для включения в систему оперативного управления качеством поверхностных вод и атмосферного воздуха, основанная на принципе автоматизированного контроля маркерных соединений, присущих конкретному источнику, одновременно как в сбросах (выбросах), так и в зонах их воздействия.
Практическая значимость
Данные о загрязненных грунтах и подземных скоплениях нефтяных углеводородов на территории южного промузла РБ, материалы по выявленным объектам накопленного экологического ущерба в зоне воздействия нефтехимических предприятий (на левобережье р. Белой в районе г. Ишимбай), предложения к проектам по их реабилитации переданы в Министерство природопользования и экологии РБ (далее Минэкологии РБ) для практического использования.
Разработанная технология очистки нефтезагрязненных грунтов без выемки их на поверхность с применением экологически чистых реагентов (карбонизированная вода, диоксид углерода) принята к использованию рядом предприятий РБ.
Разработанный комплекс оперативных и превентивных технических решений по защите природных водотоков при аварийных разливах нефти передан в Минэкологии РБ и используется в природоохранных мероприятиях.
Разработанная технология оперативного мониторинга промышленных выбросов и атмосферного воздуха в зоне их воздействия является основой системы управления качеством динамичных объектов природной среды. Первый этап разработанной технологии с установкой датчиков контроля на ОАО «Каустик», ОАО «СНХЗ» и ОАО «Сода» и 2-х станций автоматизированного контроля атмосферного воздуха внедрен в г. Стерлитамаке.
Модернизация газового хроматографа Syntech Spectras GC-955, используемого при автоматизированном контроле промвыбросов и атмосферного воздуха, позволила увеличить диапазон определения органических веществ. В ГБУ РБ УГАК Минэкологии РБ переданы рекомендации по применению различного оборудования российских и зарубежных фирм для экологического контроля широкого перечня органических и неорганических компонентов в промвыбросах и атмосферном воздухе в зоне влияния нефтехимических предприятий.
Материалы диссертации используются при чтении общепрофессиональных курсов «Техногенные системы и экологический риск» и «Экологический мониторинг» для обучающихся в Институте экологии и географии Казанского федерального университета по направлению «Экология и природопользование» и при чтении курсов «Экология», «Стандарты качества окружающей среды» в Уфимском государственном нефтяном техническом университете по направлению 280200 «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов».
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы доложены на: Всероссийской
научно-практической конференции «Уралэкология. Природные ресурсы – 2005» (Уфа-
Москва, 2005); Международной научно-технической конференции «Наука-Образование-
Производство в решении экологических проблем» (Уфа, 2006); IV Республиканской
научно-практической конференции «Проблемы безопасности и защиты населения и
территорий от ЧС» (Уфа, 2007); I Межрегиональном Экологическом форуме Прикамья
(Набережные Челны, 2007); II Всероссийской конференции с международным участием
«Аналитика России» (Краснодар, 2007); VII Конгрессе нефтегазопромышленников
России, посвященном 75-летию башкирской нефти (Уфа, 2007); V Международной
научно-технической конференции «Наука, образование, производство в решении
экологических проблем. Экология – 2008», Уфа, 2008; Межрегиональной научно-практической конференции «Вода для жизни – 2009», Уфа, 2009; Межрегиональной научно-практической конференции «Экология. Образование. Промышленность», Уфа, 2009; Mеждународной конференции «Innovationsforum Solden fur Hidrogeologie und Rohstofferkundung» г. Дрезден (ФРГ, 2010); 6th Dresden Symposium «Hazards – Detection and Management» (г. Дрезден, ФРГ, 2010); VIII Всероссийской научно-технической
конференции, посвященной 80-летию Российского государственного университета
нефти и газа имени И.М.Губкина (Москва, 2010); Международном экологическом
форуме «Уралэкология. Промбезопасность» (Уфа,2011); VIII Всероссийской
конференции по анализу объектов окружающей среды «Экоаналитика-2011»
(Архангельск, 2011); 4-ой Всероссийской конференции «Аналитические приборы» (С-
Петербург, 2012); XIII Международной научно-промышленной конференции «Новые
процессы, технологии и материалы в нефтяной отрасли XXI века» (Москва, 2012); 7ой
Международной научно-практической конференции «Современные проблемы
экологии» (Тула, 2012); XI Международной конференции «Ресурсовоспроизводящие, малоотходные и природоохранные технологии освоения недр» (Усть-Каменогорск, 2012); Международной конференции «Биодиагностика в экологической оценке почв и сопредельных сред» (Москва, 2013) и др.
Личный вклад автора. Автором лично обозначены цели и задачи исследований, осуществлены: планирование экспериментов, обследование загрязненных территорий с отбором проб воды и почвы; оценка и систематизация данных, полученных при аналитическом сопровождении реабилитационных мероприятий; создание технологии ликвидации объектов накопленного ущерба; разработка технических решений по защите природных водотоков от загрязнения нефтью при аварийных разливах; разработка технологии оперативного экологического мониторинга динамичных объектов природной среды (воды водотоков и атмосферного воздуха); оценка и подбор оборудования для автоматизированных станций контроля; формулирование выводов. Автор принимал участие в организации и проведении ликвидационных работ во время различных аварийных ситуаций на нефтепроводах РБ и РФ, отработках технологии рекультивации нефтезагрязненных почв и грунтов с использованием аборигенных микроорганизмов.
Публикации. По теме диссертации получено 6 патентов и опубликовано 68 печатных работ, в том числе одна монография, 19 статей в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания методов и объектов исследования, результатов проведенного исследования и их обсуждения, выводов, списка использованных библиографических источников, включающего 390 ссылок. Работа изложена на 371 странице машинописного текста, включает 89 рисунков, 46 таблиц и 23 приложения.
