Введение к работе
Актуальность. В настоящее время общество очень внимательно относится к вопросам охраны окружающей среды и рационального использования природных ресурсов. Последние в ряде случаев могут быть загрязнены различными отходами производства, в том числе образовавшимися в отдаленный период.
Характерными в этом плане являются засыпанные земляные пруды с неизвестной степенью гидроизоляции бывшего Ярославского сажевого завода для хранения «зеленого масла» (керосино-газойлевая фракция 170–360 продуктов пиролиза крекинг керосина) – сырья для производства ламповой сажи. Производственная площадка завода расположена в черте города Ярославля, и после его закрытия в 1979 г. представляла значительный интерес для разработки песка и гравия для дорожного строительства, а также глины для производства керамзита, находящихся на различных геологических уровнях. Анализ показал соответствие этих материалов ГОСТам. Возможность их целевой добычи соответствующего качества будет зависеть от степени загрязнения грунта «зеленым маслом», а также создания преград на пути распространения водонефтяной эмульсии в сторону р. Волга с последующим проникновением к центральному питьевому водозабору г. Ярославля, находящемуся в 2 км ниже по течению, и ухудшением качества воды для населения центра города.
Таким образом, актуальность данной работы заключается в проведении научных изысканий по оценке глубины и масштаба загрязнения грунта «зеленым маслом», возможных последствий для качества строительных материалов, а также разработки предложений путей решения одной из основных геоэкологических проблем Ярославской области.
Диссертационная работа выполнялась в соответствии с тематическим планом НИР Научно-образовательного центра по проблемам рационального природопользования при комплексном освоении минерально-сырьевых ресурсов Аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009 – 2010 гг.)» (рег. номер 2.2.1.1/3942) и Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 – 2013 гг. (государственный контракт № 02.740.11.0319).
Целью работы являлось выявление закономерностей загрязнения слагающих пород пойменной части рек нефтепродуктами, изменения их химического состава при фильтрации через грунт и оценка качества песка, гравия и глины для разработки способа снижения распространения нефтепродуктов в грунте, способов очистки и утилизации компонентов водонефтяной эмульсии, обеспечивающих защиту месторождений песчано-гравийных смесей.
Идея работы заключается в том, что снижение уровня загрязнения месторождений песка, гравия и глины достигается путем создания преградительных скважин на пути движения водонефтяной эмульсии и утилизации отходов «зеленого масла», находящихся в составе загрязнений.
Основные научные положения, сформулированные в работе, состоят в следующем:
- качество песка, гравия и глины в пойменных частях крупных рек и ареале их загрязнения нефтепродуктами характеризуется гранулометрическим и минералого-петрографическим составом, а также содержанием вредных компонентов и примесей и удельной активностью;
- оценка прохождения нефтепродуктов через песчано-гравийный слой может быть произведена на основе математического моделирования, учитывающего конвективную диффузию в вертикальном направлении и показывающего, что вертикальный профиль концентрации загрязнения подчиняется экспоненциальному закону;
- в процессе фильтрации через грунт в результате процессов адсорбции идет существенное изменение группового химического состава нефтепродукта по сравнению с исходным нефтяным сырьем в сторону обогащения его парафино-нафтеновыми углеводородами и уменьшения количества тяжелых ароматических углеводородов;
- для очистки техногенной водонефтяной эмульсии, выходящей на поверхность земли, от фенолов и нефтепродуктов возможно использование сорбционной очистки с применением в качестве фильтра пенополиуретановой крошки и цеолитов NaX.
Новизна научных и практических результатов:
- разработана адекватная математическая модель прохождения нефтепродуктов через песчано-гравийный слой, учитывающая конвективную диффузию в вертикальном распределении нефтепродукта по высоте грунта;
- на основании гидрогеологических, гидрохимических изысканий оценены масштабы локального загрязнения нефтепродуктом месторождений песка, гравия и глины и установлено их соответствие ГОСТам для использования в строительных целях;
- разработан и запатентован способ мониторинга, учитывающий количество и интенсивность выхода нефтепродуктов на поверхность земли, путем создания серии скважин и оценки уровня водонефтяной эмульсии в имеющемся дренаже;
- на основе установленного различия между физико-химическим составом нефтепродуктов, прошедших через слои грунта, и исходным нефтяным сырьем определены возможные направления их использования в качестве сырья для получения резиновых смесей, производства керамзита и технического углерода, подтвержденные лабораторными и опытно-производственными результатами.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:
- корректной постановкой задач исследований и квалифицированным применением классических методов математической физики, математической статистики, теории вероятностей и современных достижений вычислительной техники;
- достаточно большим объемом лабораторных и вычислительных экспериментов, результаты которых свидетельствуют об адекватности разработанных моделей и обоснованности выводов и рекомендаций.
Практическая значимость работы. Предложен универсальный способ мониторинга степени загрязнения нефтепродуктами района залежей песка, гравия и глины и с помощью разработанного запатентованного прибора оценен масштаб их проникновения в грунтовые воды. Разработаны и апробированы технологические решения защиты месторождений песчано-гравийных смесей и утилизации нефтепродукта, поступающего из грунта.
Реализация работы. Основные научные и практические результаты диссертационной работы были апробированы в районе бывшего сажевого завода, допустившего масштабные проливы нефтяного сырья в районе месторождений песка, гравия и глины. Теоретические результаты и технические решения включены в учебный курс «Науки о Земле», «Экологический мониторинг» и «Экономика и прогнозирование промышленного природопользования» для обучающихся по направлению «Энерго- и ресурсосберегающие процессы», а также использованы при выполнении госбюджетных НИИР в Ярославском государственном техническом университете.
Апробация работы. Содержание работы прошло апробацию на международных научно-практических конференциях: «Технологии обеспечения безопасности здоровья», Ярославль, 2008 г.; «Безопасность городской среды», Ярославль, 2010 г.; на Международном симпозиуме им. акад. М.А. Усова, Пермь, 2010 г.; на Украинской научно-практической конференции с международным участием, Днепропетровск, 2010 г.; на Всероссийской конференции «Экологические проблемы урбанизированных территорий», Пермь, 2011 г.; на Всероссийской научно-практической конференции «Приоритетные направления развития науки и технологий», Тула, 2010 г.; на Межрегиональной научно-практической конференции «Охрана окружающей среды и здоровья населения», Ярославль, 2010 г.
Публикации. По результатам работы опубликовано 12 статей, в том числе 1 в рекомендованном ВАК журнале; получен 1 патент на полезную модель.
Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 190 страницах, содержит 41 таблицу, 52 рисунка и состоит из введения, литературного обзора, объектов и методик исследований, 6 глав, выводов, 13 приложений и списка цитируемой литературы, включающего 140 наименований.
Автор выражает глубокую благодарность д-ру техн. наук, профессору Эдуарду Михайловичу Соколову и д-ру техн. наук, профессору Николаю Михайловичу Качурину за научно-методические консультации в ходе выполнения работы.
