Снижение техногенной нагрузки на грунты при транспортировке и хранении нефтепродуктов на основе использования комплекса физико-химических и микробиологических технологий

Актуальность работы.

В настоящее время при транспортировке, хранении и перегрузке полезных ископаемых в бассейн Балтийского моря ежегодно поступает до 600 тыс. т нефти и нефтепродуктов /24/. Ввод в строй новых нефтепере-валочных портов на побережье Балтийского моря на о. Высоцке и бухта Батарейная (Ленинградская область) приводит к усугублению экологической ситуации. В то же время в регионе Балтийского моря постоянно растут экологические требования к безопасности морской транспортировки энергоносителей. Так, в апреле 2004 года Международная морская организация (ММО) приняла решение о придании Балтийскому морю статуса особо уязвимого морского района, что существенно повышает требования к экологической безопасности как танкерных перевозок, так и деятельности на территории порта.

Наибольшим на сегодняшний день практическим опытом транспортировки нефти и нефтепродуктов по Балтийскому морю обладает у Вентспилс-кая нефтетранспортная система, поскольку с 1961 по 2001 год АО «Вентс-пилс нафта» являлось единственным предприятием подобного профиля в Балтийском регионе. Анализ практической деятельности порта и экологических проблем, появляющихся в процессе длительной эксплуатации подобных транспортных систем, представляют несомненный научный и практический интерес.

Интенсивное использование морских терминалов для транспортировки нефти и нефтепродуктов в Вентспилском морском порту, ориентированное на получение максимальной экономической выгоды, привело к тому, что к началу 90-х годов прошлого века состояние окружающей среды на большей части территории порта создало серьезные экологические проблемы, что обуславливает необходимость выявления потенциальных источников загряз-нения окружающей среды и всестороннего исследования ее состояния и изменения в результате техногенных нагрузок.

Для адекватных решений по эксплуатации и дальнейшему развитию портового комплекса необходимо выявление наиболее опасных ореолов на его территории, разработка методов снижения техногенных нагрузок на природную среду на основе анализа информации, получаемой в результате мониторинга, целевых натурных исследований и моделирования текущей и будущей экологической ситуации.

Результаты проведенных гидрогеоэкологических исследований химического состава почв и грунтовых вод в различных участках портовой терри-тории свидетельствуют о том, что в процессе мноолетнего функциониро-вания портового комплекса происходит загрязнение и трансформация всех компонентов окружающей среды. Техногенное воздействие обусловливает формирование четко выраженных геохимических полей, в пределах которых выделяются локальные участки с высокими концентрациями (часто значи-тельно превышающими гигиенические и экологические нормативы) различных поллютантов. Особая опасность химического загрязнения связана с тем, что химические соединения попадают в мобильные сферы — атмосферу и гидросферу, в которых мигрируют на большие расстояния.

Вышесказанное обуславливает необходимость проведения всестороннего эколого-экономического анализа состояния окружающей среды в морском порту г. Вентспилса с целью ликвидации неблагоприятных последствий эксплуатации терминала, а также планирования важнейших аспектов развития отрасли на базе новых более экологически безопасных технологий.

Проблемы экологической безопасности при добыче и транспортировке нефти и нефтепродуктов привлекали и привлекают большое внимание ученых разных стран ввиду своей актуальности. Значительный вклад в разработ-ку различных направлений, связанных с нефтезагрязнением различных сред внесли такие ученые, как Патин С. А., Пиковский Ю. И.,.

Глазовская М.А., Исмаилов Н. М., Хазиев Ф. Х., Калачников И. Г., Миронов О. Г., Бачурин Б. А., Одинцова Т. А., Adlard E.R., Hubbard Е. Н, Edwards N.T. В трудах этих уче-ных, нашли отражение вопросы техногенеза в районах нефтедобычи, а также на стадиях транспортировки и хранения энергоносителей. В работах Минигазимова Н. С., Патина С. А., Бикбулатова Э. С. рассмотрены вопросы нефтезагрязнения подземных и поверхностных вод. Вместе с тем, пред-шествующими работами далеко не исчерпан круг проблем, касающихся экологической безопасности транспортировки энергоносителей, особенно на стадии их хранения и перегрузки на морских терминалах. До настоящего времени наиболее актуальной и соответственно изучаемой проблемой техно-генного воздействия нефтеперевозок являлась проблема загрязнения атмо-сферного воздуха и морской акватории. Однако в результате ужесточения морского экологического законодательства, технического усовершенство-вания резервуаров хранения и устройств для улавливания нефтяных паров при операциях слива-налива наблюдается поэтапное снижение загрязнения морской акватории и эмиссии паров нефтепродуктов в атмосферу.

Следующей по значимости проблемой техногенного воздействия транспортировки нефти и нефтепродуктов морским путем, причем менее изу-ченной, является проблема загрязнения поверхностного стока. Она трудно решается техническими средствами и мало разработана в методическом отношении. С проблемой загрязнения вод поверхностного стока неразрывно связана проблема загрязнения геологической среды и подземных вод. В сис-теме техногенного воздействия поверхностный сток играет интегрирующую роль: с одной стороны аккумулируя загрязняющие вещества, поступающие из атмосферы и в результате разливов нефтепродуктов, а с другойроль «проводника» загрязняющих веществ в геологическую среду и подземные воды. Актуальность проблемы мониторинга загрязнения геологической среды и подземных вод нефтепродуктами обуславливается еще и ужесто-чением экологических требований к состоянию подземных вод и геологи-ческой среды районов расположения предприятий, связанных с переработ-кой и транспортировкой нефтепродуктов: нефтебаз, НПЗ, нефтяных терминалах и т. д. На всех этих объектах систематическое и долговременное загрязнение поверхностного стока, геологической среды часто сопро-вождается формированием на уровне грунтовых вод техногенных линз неф-тепродуктов, представленных преимущественно лёгкими фракциями (бензин, керосин, дизельное топливо).

Анализ проведенных ранее работ (Бачурин Б.А., Быков В. Н., Оборин A.A., Шестов И. Н., Одинцова Т.А.) показал, что ряд аспектов проблем загряз-нения гидросферы в пределах площадок хранения и перегрузки нефтепро-дуктов недостаточно изучен. Недостаточно исследованы такие важные воп-росы, как анализ вероятности загрязнения окружающей среды отдельными элементами технологических систем транспортно-перегрузочных комплексов, их количественная оценка, основанная на реальных практических данных, полученных в процессе длительной эксплуатации транспортно-погрузочных комплексов. Слабо освещены закономерности фильтрации неф-тезагрязнений и их последующей миграции с потоком подземных вод к местам разгрузки. Отсутствуют оценки скорости распространения загрязнений и возможностей самоочищения загрязненных reoи гидросфер, не разработаны комплексные подходы к борьбе с нефтяным загрязнением. Особую актуаль-ность имеет также разработка рекомендаций по санации загрязненных терри-торий, переработка и утилизация нефтеотходов, образующихся в ходе осуществления технологических процессов перегрузки, хранения нефти и нефтепродуктов.

Цель работы — снижение техногенной нагрузки на природную среду при транспортировке и хранении полезных ископаемых на основе внедрения комплекса технологических решений, направленных на санацию грунтовых вод и зоны аэрации, а также утилизацию нефтесодержащих отходов.

Идея работы заключается в использовании комплекса физико-химических технологий для санации грунтовых вод и зоны аэрации и утилизации различных нефтеотходов (сточных вод, нефтешламов).

Задачи исследования:

• Анализ воздействия нефтеперегрузочного комплекса на компоненты природной среды: подземные и подповерхностные воды, атмосферный воздух, почвы, биоту.

• Формирование банка данных показателей состояния подземных вод в зоне техногенного воздействия.

• Выявление механизма формирования ореолов нефтяного загрязнения почвы, зоны аэрации и грунтовых вод. Составление экологических карт загрязнения территории предприятия, картирование техногенных линз плавающих нефтепродуктов изучение техногенного загрязнения водо-носных горизонтов нефтепродуктами.

• Анализ операций технологического процесса с точки зрения вероятностей загрязнения окружающей среды методом логического анализа ошибок (ЛАО), систематизация факторов возникновения разливов неф-тепродуктов в технологических процессах.

• Изучение характеристик зоны аэрации и их влияния на защищенность грунтовых вод. Определение неоднородности фильтрующих свойств территории в формировании и распространении нефтяного загрязнения на основе полевых и лабораторных работ, включая опытные откачки в системе наблюдательных скважин.

• Оценка фильтрационных свойств пород зоны аэрации и защищенности грунтовых вод.

• Оценка интенсивности миграции нефтезагрязнения в гидросфере и гео-логической среде, изучение возможностей самоочищения почвогрун-тов и грунтовых вод, определение времени самоочищения.

• Анализ свободной фазы загрязнений в нефтяных линзах, определение возраста и характеристик плавающих нефтепродуктов.

• Оценка эффективности применения методов санации и биоремедиации загрязненных территорий, обоснование основных стадий рациональной технологии очистки и утилизации нефтезагрязнений.

Научная новизна работы:

— выявлены закономерности формирования атмо-, литои гидрохимических ореолов и потоков загрязнения в районе воздействия технологических процессов при транспортировке, хранении и перегрузке нефти и нефте-продуктов в зависимости от уровня природной и технической защищенности компонентов природной среды, типа и времени нахождения загряз-няющих компонентов, миграционной способности загрязнителя;

— предложен системный подход к оценке негативного воздействия нефтезагрязнений на территории нефте-перегрузочного комплекса по всей технологической цепочке, базирующийся на методе логического анализа ошибок (ЛАО), позволяющем систематизировать факторы возникновения разливов нефтепродуктов в технологических процессах и выявить наибо-лее экологически опасные технологические операции и участки;

— предложен методологический подход к разработке мероприятий по реабилитации грунтовых вод и грунта загрязненных территорий, учитывающий оценку вязкости загрязнителя, его способности к биодеструкции, фильтрационные характеристики зоны аэрации и способность ландшафта к самоочищению.

Основные защищаемые положения:

1. Многолетнее функционирование портового комплекса для хранения, перегрузки и транспортировки нефти и нефтепродуктов приводит к формированию литои гидрогеохимических ореолов и гидрогеохимических потоков загрязнений. При этом пространственное распределение концентраций нефтезагрязнений в грунте происходит по экспоненциальному закону, как для вертикальной фильтрации компонентов, так и для их радиального распространения. Параметры экспоненциаль-ного распределения зависят от фракционного состава нефтепродуктов, фильтрационно-емкостных свойств грунтов и внешних погодно-клима-тических факторов.

2. Метод логического анализа ошибок (JIAO) позволяет систематизировать факторы возникновения разливов нефтепродуктов при их транспортировке, хранении и перегрузке, провести ранжирование технологических процессов по степени экологической опасности и выявить объекты для первоочередных природоохранных мероприятий.

3. Загрязнение гидросферы в районе воздействия Вентспилского портового комплекса обусловлено образованием техногенных линз плавающих нефтепродуктов на зеркале грунтовых вод в местах крупных аварийных или частых технологических разливов, с последующей миграцией растворимых и диспергированных нефтепродуктов с естественными потоками грунтовых вод в направлении максимальных значений градиента уровня грунтовых вод (нормально к линиям гидроизогипс).

4. Высокие фильтрационные свойства (песок, гранитный песок) водосо-держащих пород и малая вязкость свободного нефтепродукта в нефтяных линзах (бензин, керосин, дизтопливо) позволяют осуществить санацию на месте (in situ) с помощью поэтапной технологии, заключающейся изначально в откачке свободного нефтепродукта из нефтяных линз, а затемв откачке загрязненных грунтовых вод с их последующей очисткой на поверхности, аэрацией загрязненной зоны и гидравлической промывкой грунта микробиологически обогащенными водами.

Методы исследования.

В качестве основных методов исследования применялись:

— системно-структурный анализ зоны воздействия нефтепродуктов на природную среду;

— аналитические, экспериментальные и геогидрохимические работы в лабораторных и полевых условиях;

— системный анализ многолетних статистических данных об аварийных ситуациях и отказах технологического оборудования;

— методы математической статистики, аналогового и численного моделирования;

— экспериментальные исследования и опытно-промышленные испытания технологии санации грунтовых вод и утилизации нефтеотходов.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечена использованием значительного объема исходных материалов и применением современных методов анализа. Полученные результаты подтверждены ком-плексом лабораторных и натурных экспериментов, сходимостью экспериментальных данных с теоретическими представлениями изучаемых процессов. Приведенные в работе аналитические и экспериментальные результаты хорошо согласуются с новейшими данными, опубликованными другими авторами.

Практическая значимость работы.

— Выполнена оценка экологических рисков для всех технологических процессов и оборудования на территории Вентспилского нефтеперегрузоч-ного портового комплекса. Разработана и осуществляется научно-обоснованная программа первоочередных мер по улучшению экологической ситуации на предприятии.

— Разработана комплексная целевая программа гидрогеоэкологических исследований и технико-инженерных мероприятий, направленных на поэтапное снижение уровня нефтяного загрязнения подземных вод и его экологической опасности.

— Проведено технико-экономическое обоснование развития безотходных природоохранных технологий, в соответствии с которыми минимизируется количество нефтеотходов или проводится их утилизация.

— Произведена оценка степени загрязнения грунтов нефтепродуктами и выявлены направления потоков разгрузки грунтовых вод, загрязняемых инфильтрационными потоками питания.

Личный вклад автора.

Автор самостоятельно осуществил:

— постановку цели, формулировку задач и разработку методики исследований;

— анализ экономических рисков технологических процессов и основного оборудования на природную среду;

— анализ механизмов формирования нефтезагрязнения гидрогеосферы;

— обоснование методики проведения лабораторных и полевых исследований загрязнения грунтовых вод;

— обобщение и систематизацию результатов лабораторных и опытно-промышленных испытаний технологии санации грунтовых вод;

— технико-экономический анализ возможных технологий утилизации нефтеотходов, образующихся в технологических процессах транспортировки нефти и нефтепродуктов.

Автор принял участие в осуществлении:

— полевых исследований в зоне влияния нефтезагрязнений грунтовых вод,.

— разработке целевых программ по улучшению экологической обстановки на территории Вентспилского нефтяного терминала,.

— обоснования и разработки оптимальной технологии санации грунтовых вод,.

— опытно-промышленных испытаний разработанной технологии санации и обезвреживания нефтезагрязнений гидрогеосферы .

Реализация работы.

— На основе анализа экологических рисков разработана и осуществляется научно-обоснованная программа перевоочередных мер по улучшению экологической ситуации на предприятии.

— В результате проведенных работ по санации гидрогеосферы в период с 1998 годо по 2003 год на территории терминала максимальная мощность линзы плавающих нефтепродуктов в наиболее загрязненных ореолах территории (в зоне железнодорожной эстакады) снизилась с 2,5−3,0 м до 1,3 м, площадь линз уменьшилась с 68 115 м2 до 17 900 м2, количество нефтепродуктов уменьшилось с 8145,5 до 785,3 тонн, произошло существенно снижение общей площади загрязненных гидрои литохимических ореолов.

— Разработанные технико-экономические предложения по комплексной утилизации нефтеотходов приняты за основу задания на проектирование технологии обезвреживания нефтеотходов, образующихся в процессе производственной деятельности предприятия.

Аппробация работы.

Основные положения работы докладывались, обсуждались и были одобрены на международных, российских и иного уровня научных, научно-технических конференциях, совещаниях, симпозиумах.

Публикации.

По теме работы опубликованы в открытой печати 3 печатных труда.

Объем и структура диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографического списка. Содержит 150 страниц машинописного текста, 20 рисунков, 25 таблиц и список литературы из 116 наименований, приложение со схемой сети наблюдательных и технологических колодцев.

Выводы к главе 4.

1. Рациональные методы и средства санации нефтезагрязненных территорий, к которым относятся: очистка на месте (in situ) — метод гидравлической промывки, микробиологические методы, методы термического выпаривания, обычная вентиляция и очистка ex situ, необходимо разрабатывать для каждого конкретного случая на основе оценки вязкости загрязнителя, способности его к биодеструкции и фильтрационных характеристик грунтов загрязненной территории.

2. Высокие фильтрационные свойства (песок, гранитный песок) водо-содержащих пород и малая вязкость свободного нефтепродукта в нефтяных линзах (бензин, керосин, дизтопливо) позволяют осуществить санацию in situ с помощью поэтапной технологии: 1-й этап-откачка свободного нефтепродукта из нефтяных линз, 2-й этапоткачка загрязненных грунтовых вод с из последующей очисткой на поверхности, аэрацией загрязненной зоны и гидравлической промывкой грунта микробиологически обогащенными водами.

3. Остаточное загрязнение в грунтах до приемлемых норм можно снизить с помощью методов ускорения биодеструкции углеводородов-аэрации с применением различных воздушных смесей и внесением биопрепарата, повышения температуры водоносных слоев.

4. В результате проведенных работ по санации гидрогеосферы в период с 1998 годо по 2003 год на территории Вентспилского терминала максимальная мощность линзы плавающих нефтепродуктов в наиболее загрязненных ореолах территории (в зоне железнодорожной эстакады) снизилась с 2,5−3,0 м до 1,3 м, площадь линз уменьшилась с 68 115 м, А до 17 900 м, количество нефтепродуктов уменьшилось с 8145,5 до 785,3 тонн, произошло существенно снижение общей площади загрязненных гидрои литохимических ореолов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Диссертация представляет собой законченную научно-исследовательскую работу, к которой содержится новое решение актуальной научно-производственной задачи: оценки негативного воздействия транспортно-погрузочного комплекса терминала «Вентспилс нафта» на компоненты при-родной среды и разработки технологии поэтапной очистки загрязненных гидрои литосферы. Основные научные и практические выводы:

1. На основе многолетних натурных наблюдений за состоянием природных вод и приповерхностных отложений установлены закономерности формирования техногенных ореолов и потоков в районе воздействия транспортно-перегрузочного комплекса терминала, позволяющие выделить основные факторы его негативного воздействия. Определены объемы нефтезагрязнения в грунтовых водах и почвогрунтах.

2. На основании проведенных ландшафтно-геохимических исследований определены экспоненциальные закономерности распределения концентраций углеводородных соединений нефтезагрязнения в зависимости от природной и технической защищенности компонентов природной среды, формы нахождения загрязняющих компонентов в почвогрунтах и грунтовых водах, миграционной способности загрязнителя.

3. Методом логического анализа ошибок (ЛАО) выявлены системно-логические цепочки, предпосылки и источники сбоев в работе, которые могут привести к авариям, определены количественные характеристики вероятности нефтяных аварийных и технологических разливов нефти, звенья технологического процесса ранжированы по степени опасности загрязнения среды.

4. Исследована защищенность грунтовых вод на территории терминала, установлено, что показало, что практически вся территория терминала набирает по шкале В. М. Гольдберга менее 5 баллов и относится к категории слабозащищенной. Время фильтрации загрязнений до уровня грунтовых вод колеблется от 1 до 10 дней. Выявлено, что в местах наиболее вероятных разливов нефти (в зоне железнодорожной эстакады) буферная способность почвогрунтов полностью исчерпана и необходима разработка мероприятий по восстановлению защитной способности зоны аэрации.

5. Расчитано время и скорость самоочищения среды в зоне действия нефтяной линзы расположенной в районе железнодорожной эстакады, которое составляет около 68,5 лет. Скорость самоочищения, а на остальной территории перегрузочного цеха колеблется в пределах 0,0001−0,34, а время самоочищения грунтовых вод в случае исключения их дальнейшего загрязнения составляет от 8 до 27,4 лет, что существенно ниже, чем в зоне непосредственного влияния нефтяной линзы ЖДЭ. Очевидно, что необходима санация территории, направленная на ликвидацию очага загрязнения в виде нефтяной линзы гравитационно-свободных нефтепродуктов.

6. В результате проведенных работ по санации гидрогеосферы в период с 1998 годо по 2003 год на территории предприятия максимальная мощность линзы плавающих нефтепродуктов в наиболее загрязненных ореолах территории (в зоне железнодорожной эстакады) снизилась с 2,5−3,0 м до 1,3 м, площадь линз уменьшилась с 68 115 м² до 17 900 м², количество нефтепродуктов уменьшилось с 8145,5 до 785,3 тонн, произошло существенно снижение общей площади загрязненных гидрои литохимических ореолов.

7. Установлено, что наиболее эффективной технологией утилизации нефтепродуктов, полученных в результате санации, является их использование для производства рабочего искусственного композитного топлива (ИКТ) с удельной теплотой сгорания до 5000ккал/кг.