Проблема загрязнения воды

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время, развитие нефтегазового комплекса, одного из локомотивов экономики России, происходит стремительными темпами. Среди регионов, где осуществляется нефтегазодобыча, можно назвать Западную Сибирь, Поволжье, Северо-Западный регион, Сахалин. Крупные объекты нефтегазового комплекса - магистральные трубопроводы, нефтеперерабатывающие комбинаты, морские терминалы, располагаются практически во всех экономических районах России. Для поддержания и развития отрасли в производственном отношении осуществляются такие общие задачи как поиск, разведка нефтяных месторождений, добыча нефти, ее переработка, транспортировка трубопроводным, автомобильным, железнодорожным и водным транспортом с перевалкой (погрузо-разгрузочными работами), бункеровкой (заправкой), хранением, а также реализацией нефти и нефтепродуктов.

В результате несовершенства технологий, других объективных и субъективных причин на всех этапах операций с нефтью и нефтепродуктами происходят отдельные аварии, приводящие к разливам нефти и нефтепродуктов и загрязнению атмосферы, открытых водоемов, почвы и подземных вод, что, безусловно, изменяет состояние окружающей среды и, как следствие, снижает качество жизненного пространства населения и биоты.

Одной из актуальных проблем загрязнения окружающей среды нефтепродуктами является загрязнение водоносных горизонтов. Актуальность проблемы обусловлена важной ролью подземных вод в функционировании живых организмов на Земле. Именно подземные воды поддерживают питание родников, обеспечивают подачу влаги корням растений, оберегают реки и озера от обмеления, используются в хозяйственно-питьевых и иных нуждах человека, применяются для лечебных целей.

По условиям залегания и питания водоносных горизонтов различают следующие подземные воды: верховодки, грунтовые воды со свободной поверхностью, безнапорные межпластовые, артезианские (напорные). В наибольшей степени подвержены загрязнению грунтовые воды; появление нефтепродуктов в заметных концентрациях в водозаборных скважинах, использующих глубокозалегающие напорные воды, встречается реже и обычно является результатом нарушения целостности эксплуатационных, разведочных и наблюдательных скважин на газонефтяных месторождениях.

Подземные воды, имеющие стабильные запасы и представляющие интерес для организации питьевого водоснабжения, имеют пластовый характер и приурочены к породам определенного состава и геологического возраста. Преимущественно водоносные горизонты представлены песками различного гранулометрического состава, гравийно-галечниковыми отложениями, трещиноватыми известняками, простирающимися и распространяющимися на значительные площади, захватывающие не только территорию района или области, а зачастую выходят за их границы.

Другой важной особенностью подземных вод является ограниченность их запасов. Промышленные запасы обычно имеют 23 водоносных горизонта.

Первые от поверхности водоносные горизонты, вследствие наличия гидравлической связи с поверхностными водами, не имеют промышленных запасов и преимущественно загрязнены по целому ряду компонентов, по которым превышаются установленные нормы ПДК. Более глубокие горизонты не используются для питьевого водоснабжения по причине повышенной минерализации, или используются в ограниченном объеме как столовые или минеральные воды. Рассолы, залегающие еще глубже, находят ограниченное применение в лечебных целях.

Загрязнение подземных вод не является локальным процессом, оно в значительной степени обусловлено загрязнением других природных сред - атмосферного воздуха, поверхностных вод, почв. Будучи загрязненными вследствие выбросов различных веществ антропогенного происхождения, эти среды становятся как бы вторичными источниками загрязнения, влияющими на подземные воды. В свою очередь загрязнение подземных вод может сказаться на качестве речных вод в местах разгрузки загрязненных подземных вод в реки.

Таким образом, имеет место взаимосвязь причин и следствий в загрязнении подземных и поверхностных вод. Но вместе с тем, воздействие загрязненных природных сред на подземные воды неизмеримо больше обратного воздействия подземных вод на эти среды.

Во всех промышленно развитых государствах мира факты загрязнения геологической среды нефтепродуктами давно перестали быть эпизодичными. С ростом использования нефти и нефтепродуктов растут их потери во время добычи, переработки, хранения и транспортировки. Аварийные потери, по некоторым данным, могут составлять около 3% от годового производства нефтепродуктов. Значительное количество загрязненных нефтепродуктами подземных вод вынужденно используется для употребления питьевых потребностей, несмотря на угрозу здоровья человека; это создает проблему в экологической безопасности многих государств и может привести к национальной катастрофе. В связи с этим возникла проблема предотвращения загрязнения, локализации и ликвидации загрязненных нефтепродуктами участков. Для того  чтобы ее решить, необходимо знать формы нахождения и законы распространения нефтепродуктов в геологической среде, уметь определять их содержание в грунтах воде и подземном воздухе, объемы и контуры накопления, параметры удержания и проникновения, а также уметь управлять перемещением нефтепродуктов, прогнозировать их «поведение».

1 ПОНЯТИЕ «НЕФТЕПРОДУКТ». ИСТОЧНИКИ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОДОНОСНЫХ ГОРИЗОНТОВ НЕФТЕПРОДУКТАМИ

Прежде, чем рассмотреть возможные источники загрязнения, необходимо  дать определение понятию «нефтепродукт».

Ю.И. Пиковский рассматривает понятие «нефтепродукт» в двух аспектах: техническом ианалитическом. В техническом аспекте нефтепродукт – это товарная сырая нефть, которая прошла первичную подготовку на промысле, и продукты ее переработки, которые используются в хозяйственной деятельности: авиационные и автомобильные бензины, реактивный, тракторный и осветительный керосин, дизельные и котельные топлива, мазуты, растворители, смазочные масла, нефтяные битумы, а также парафин, нефтяной кокс, присадки, нефтяные кислоты и др.(рис.1). В аналитическом понимании к нефтепродуктам относят неполярные и малополярные соединения, растворимые в гексане. Под аналитическое определение попадают практически все топлива, растворители и смазочные масла, кроме тяжелых смол и асфальтенов нефтей и битумов, а также веществ, образующихся из нефтепродуктов при длительном нахождении их в грунтах или водах (в результате микробиологического и физико-химического разложения).

Основные товарные виды жидких нефтепродуктов – углеводородные фракции, получаемые из нефти в процессе перегонки и вторичной переработки: бензины (С4-С12, tкип. 40-200°С), керосины (С12-С16, 200-300°С), дизельные топлива (С16-С20, 300-400°С), котельные топлива, масла разнообразного назначения, мазуты. Основные компоненты этих нефтепродуктов - углеводороды. Наряду с углеводородами в нефтепродуктах и нефтях, содержатся соединения с атомами H,N, и О. Помимо этого постоянными компонентами товарных нефтепродуктов являются различные добавки, улучшающие их эксплуатационные свойства (антидетонаторы, антиокислители, ингибиторы коррозии и др.), обычно вводимые в долях процента.

В проблеме загрязнения подземных вод все более важную роль играют жидкие углеводороды (УВ), как результат утечек из поверхностных и подземных хранилищ углеводородного топлива, развития различных нефтеперерабатывающих производств, потерь нефти при добыче и транспортировке и т.д.

Большинство УВ имеет очень низкие значения ПДК (в некоторых случаях — на пределе обнаружения); для примера можно заметить, что 1 л бензина при полном растворении способен загрязнять до недопустимых концентраций 2 млн. л подземных вод. Далее, после ликвидации источника загрязнения и откачки жидких скоплений УВ, остаточная их насыщенность, с учетом весьма ограниченной растворимости, обеспечивает длительное — на десятки, а то и сотни лет — загрязнение на больших площадях. Вполне реальны ситуации, когда такое загрязнение начинает проявляться, скажем, в водозаборных скважинах через многие годы после того, как поверхностные его источники были полностью устранены; при этом здоровье людей может долгое время подвергаться не выявленной опасности.

Иногда концентрация загрязнений достигает таких масштабов, что они практически заполняют колодцы и скважины. При близком к земной поверхности расположении скоплений УВ, их пары могут поступать в жилые помещения или даже приводить к возгоранию и взрыву.

Источниками загрязнения  подземных вод нефтепродуктами могут быть все сооружения и технические средства, связанные с добычей, хранением и переработкой нефти, с транспортирование и распределением нефти и нефтепродуктов, а также сточные воды, содержащие нефть и нефтепродукты.

1. Нефтепромысел

Для добычи нефти создается комплекс производственных сооружений, как правило, разобщенных территориально, но взаимосвязанных системами трубопроводов, энергопередач и организацией работы. К основным сооружениям этого комплекса относятся скважины (бурящиеся, эксплуатируемые, нагнетательные и наблюдательные), компрессорно-насосные станции, сборные пункты, нефтехранилища, пункты первичной подготовки нефти, трубопроводы, отстойники, площадки для сжигания газа и конденсата, электрические подстанции и др.

 Каждое из перечисленных сооружений представляет собой потенциальный источник разливов нефти, либо выбросов вредных веществ в атмосферу, а многие из них – того и другого, что может быть причиной загрязнения подземных вод.

Прежде всего, центрами формирования нефтегенных потоков на промысле являются бурящиеся и эксплуатируемые скважины.

На стадии бурения скважины и подготовки ее к эксплуатации основными компонентами нефтегенных потоков являются буровые растворы.

Буровые растворы (промывочные жидкости), применяемые для смазки и промывки стволов скважины во время бурения, представляют собой сложную полидисперсную систему, состоящую из жидкой фазы (вода, нефть, дизельное топливо) и твердой фазы (глина, частицы кварца и известняка, другие нерастворимые минералы).

Кроме того, на стадии бурения формируются большие объемы буровых сточных вод, которые образуются на сито-конвейерах при их промывке от породы, извлекаемой из скважины глинистым раствором, охлаждении буровых насосов, смывке глинистого раствора, разлитого во время спускоподъемных операций. Объем буровых сточных вод на цикл бурения составляет 5000-8000 м. Буровые сточные воды могут содержать до 9500 мг/л органических веществ, в том числе 5000-8000 мг/л нефтепродуктов.

На стадии эксплуатации скважины служат центрами временных нефтегенных потоков, которые возникают при аварийных ситуациях, ремонтных работах и от других причин, нарушающих работу скважины. Основным веществом, составляющим нефтегенные потоки от эксплуатационных скважин, является пластовая жидкость, представляющая собой нефть, содержащую растворенный газ и некоторое количество пластовой воды, как правило, высокой минерализации.

Аналогичны по составу нефтегенные потоки при прорыве (авариях) промысловых трубопроводов, по которым пластовая жидкость поступает от скважин на сборные пункты и установки первичной подготовки нефти.

Протяженность промысловых нефтепроводов в России на сегодня более 350 тыс.км. Основными причинами аварий на промысловых нефтепроводах являются: коррозия, наезд техники, увеличение давления, пульсация, динамические нагрузки, разморожение, разгерметизация, механические повреждения трубопроводов, вибрация гребенки, неправильно организованная работа, нарушение технологии, усталость металла, заводской брак, подвижка грунта. Подавляющее большинство аварий (до 83%) происходит в результате коррозии труб, при этом в основном коррозия имеет электрохимический характер, хотя имеют место и сквозные локальные коррозионные повреждения - свищи, как правило, вызванные действием блуждающих токов. Более 5% случаев аварийного разрушения нефтепроводов происходит в результате внутренней коррозии труб, вызванной наличием в нефти следов воды.

Установлено, что существенное влияние на рост числа аварий на промысловых нефтепроводах оказывает характер местности, на которой они произошли. Выделяют следующие основные типы местности по-разному оказывающие влияние на нефтепроводы: заболоченная местность, болото, низина, территория куста, грунт, траншея, дорога, берег водоема и подводные переходы.

По опыту нефтепромыслов Западной Сибири в 60% случаев аварии происходят на нефтепроводах, проложенных на болотах и в 26,8% - на заболоченной местности, что объясняется, по-видимому, повышенной коррозийной активностью почв в данных условиях. В 5,5% - при водных переходах, вследствие коррозии металла труб под действием солей и кислот, растворенных в воде.

Особенности нефтегенных потоков, формируемых при авариях на промысловых нефтепроводах, в их подземном, внутрипочвенном движении и дренировании, как правило, в водоемы и водотоки. Такие потоки особенно опасны, так как они не поддаются воздействию поверхностных факторов разрушения (в частности, фотохимическому и микробиологическому разложению), и, кроме того, их значительно труднее обнаружить и предотвратить дальнейшее распространение.

Потенциальными центрами формирования нефтегенных потоков на нефтепромыслах являются сборные пункты и установки первичной подготовки нефти, где происходит отделение газа, обезвоживание нефти, разрушение водонефтяной эмульсии. Водные потоки формируются в результате сбрасывания или утечек сточных вод, отделенных от нефти в результате обезвоживания. Состав сточных вод в основном аналогичен составу вод нефтяных пластов.

Сточные воды обычно сбрасываются в специальные бассейны, природные и искусственные резервуары, их стараются утилизировать, закачивая в продуктивные пласты для поддержания пластового давления. В принципе неизбежны утечки этих вод и загрязнение ими почв, грунтовых вод, водоемов, наземных и водных биоценозов. Утечка сточных вод и их попадание в окружающую среду происходит либо на компрессор-но-насосных станциях, либо на нагнетательных скважинах в результате аварии.

2. Транспортирование нефти и нефтепродуктов

Большие потери нефти и нефтепродуктов имеют место при их транспортировке, как по магистральным нефтепроводам, так и водным, железнодорожным и автомобильным транспортом.

Учитывая огромную протяженность магистральных трубопроводов, характерную для нашей страны (более 200 тыс. км), они представляют большую экологическую опасность при транспортировке нефти по ним. Ежегодно на них происходит сотни и тысячи случаев утечки нефти по различным причинам, которые приводят в целом к огромным ее потерям и «замазученности» больших территорий.

В меньшей степени в разливах нефти виновен железнодорожный транспорт, хотя серьезные его аварии, сопровождаемые разливами нефти, имеют место. Основными причинами этих аварий являются:

- износ основных производственных фондов (путевое хозяйство, подвижной состав, связь и др.);

- организационно-технические недостатки (управление, квалификация кадров, дисциплина и др.).

3. Нефтеперерабатывающие заводы и базы хранения нефти и нефтепродуктов

Даже при безаварийной работе этих объектов происходят значительные выбросы в атмосферу и утечки вредных веществ.

При авариях на предприятиях переработки нефти и нефтехимических предприятиях, основными причинами которых являются износ основных производственных фондов, низкая квалификация кадров, нарушения технологии производства, происходят большие выбросы нефти, нефтепродуктов и вредных веществ, приводящие к значительным загрязнениям (заражениям) окружающей среды.

При авариях на предприятиях переработки нефти и нефтехимических предприятиях, основными причинами которых являются износ основных производственных фондов, низкая квалификация кадров, нарушения технологии производства, происходят большие выбросы нефти, нефтепродуктов и вредных веществ, приводящие к значительным загрязнениям (заражениям) окружающей среды.

Основными же источниками загрязнения подземных вод на нефтебазах и складах нефтепродуктов являются:

- аварийные проливы при выполнении технологических операций;

-нарушение герметичности резервуаров и трубопроводных коммуникаций, в том числе из-за коррозии;

-нарушение правил эксплуатации технических средств и технологического оборудования;

- образование неутилизированных отходов.

Следует отметить, что, как показывает опыт эксплуатации резервуарного парка, основная часть всех потерь нефтепродуктов (до 75%) приходится на испарение, т.е. за счет выбросов в атмосферу, в то время как потери на аварийные проливы и утечки составляют до 25%.

Аварийные же проливы и утечки в условиях эксплуатации нефтебаз могут создавать предпосылки к существенным загрязнениям природной среды. Следует отметить, что нередко утечки в небольших количествах со временем становятся постоянными источниками загрязнения сточных вод и порой длительное время остаются без должного внимания. В ряде случаев эти утечки приводят к накоплению нефтепродуктов под землей, попаданию их в грунтовые воды и речные системы. Так, например, инфильтрация нефти и нефтепродуктов привела к образованию их крупных подземных залежей в гг. Грозном, Ангарске, Моздоке, Туапсе, Ейске, Орле, Новокуйбышевске, Уфе, Комсомольске-на-Амуре и др.

Причинами утечек из технологического оборудования нефтебаз чаще всего являются: свищи и трещины сварных соединений в стенках резервуаров и трубопроводов, возникающие в результате коррозии; неплотность запорной аппаратуры (особенно сливных магистралей); негерметичность разъемных соединений; износ рабочих органов вентилей и задвижек технологической обвязки, уплотнений насосов, валов привода магистральных задвижек.

Причинами же аварийных выбросов нефтепродуктов обычно являются повреждения резервуаров и другого технологического оборудования при эксплуатации, создание сверхдопустимых избыточных давлений или вакуума внутри резервуаров, увеличение напряжений в металлоизделиях из-за неравномерной осадки или усиления вибрации корпуса резервуара, коррозия металла в результате хранения нефтепродуктов с повышенным содержанием серы и других агрессивных сред, отстойной воды.

4. Склады горючих веществ и мазута

Высокое потребление горючих веществ требует относительно густой сети складов. В складах проводится манипулирование с нефтепродуктами; резервуары и места слива соединены трубопроводами, из которых может происходить утечка нефтепродуктов; при перекачке могут происходить переполнения резервуаров и переливы нефтепродуктов и т. д. Могут возникнуть повреждения резервуаров и большие утечки горючих веществ. На основании имеющегося опыта можно сказать, что склады горючих веществ (особенно старые) являются одним из основных загрязнителей подземных вод. Наряду с крупными складами горючих веществ нефтепродукты складируются также в меньших по размерам резервуарах у заправочных колонок, в транспортных предприятиях; к этой же группе можно отнести и резервуары легких мазутов в промышленных предприятиях. В указанных случаях часто происходят утечки нефтяных продуктов вследствие небрежности при обслуживании и недостаточной антикоррозийной защиты. Частым источником загрязнения подземных вод являются автозаправочные станции, ремонтные мастерские автомашин и моечные площадки.

2. УСЛОВИЯ НАХОЖДЕНИЯ И МИГРАЦИИ НЕФТЕПРОДУКТОВ В ГОРНЫХ ПОРОДАХ И ПОДЗЕМНЫХ ВОДАХ

На миграцию нефтепродуктов в подземных водах влияют как свойства геологической среды, так и физические, физико-химические свойства загрязняющего вещества. Все эти факторы объединены в следующие группы

1) механические: скорость подземных вод, плотность и вязкость нефтепродуктов, расположение источников загрязнения, растворимость нефтепродуктов, продолжительность контакта загрязняющих источников с водой, механическая фильтрация, способы откачки воды;

2) геологические, структурные и геофизические: геология пластов, напластование, литология, виды водоносных горизонтов, гидрология, климат и их изменчивость во времени и пространстве;

3) физико-химические, химические и биохимические: физико-химические и химические особенности среды и нефтепродуктов, процессы самоочищения.

При проникновении нефти и нефтепродуктов в грунт происходит разделение компонентов указанных веществ. Нефтяные вещества сорбируются на грунтах преимущественно в виде жидкой фазы. Сорбция может оказывать значительное влияние на процессы распространения загрязнений в водоносном горизонте. Под сорбцией твердой фазой растворенных, а иногда и нерастворенных ингредиентов в подземных водах обычно понимают три основных механизма элиминирования: физическую адсорбцию, химическую адсорбцию и ионный обмен. Способность к сорбции углеводородов понижается в ряду олефины — ароматические — циклопарафины — парафины. Способность связи нефтяных веществ с грунтами зависит от капиллярных сил. Количество задержанных нефтепродуктов в единице объема грунта зависит от общего свободного объема капилляров, что означает зависимость от гранулометрического состава грунта и его влажности. Грунты могут сорбировать меньшее количество нефтяных веществ, чем воды. Чем выше насыщенность грунтов водой, тем ниже их способность сорбировать нефтяные вещества. В опытах было выявлено, что сорбированная в песках нефть может разлагаться под действием микроорганизмов, но данный процесс происходит очень медленно. При начальной концентрации нефти в воде 13,6 мг/л концентрация сорбированной нефти оставалась в течение 20 сут на уровне 4...5 мг/л (при температуре 4...5 °С). В табл.1 приведены типы грунтов, классифи-цированные по их проницаемости к воде и способности связывать нефтепродукты.

Таблица 1 – Способность грунтов к сорбции нефтяных продуктов

Растворимость связана с химическим составом нефтепродуктов. Для каждой группы углеводородов характерно уменьшение растворимости с увеличением числа углеродных атомов. Если рассматривать растворимость между группами, то наиболее растворимы в воде представители ароматических углеводородов, их растворимость в воде на 1…3 порядка выше, чем растворимость других групп; наименьшей растворимостью обладают алкены; циклоалкены занимают промежуточное положение между двумя этими группами (табл.2).

В ходе исследований вод нефтеносных месторождений выявлено, что преимущественно в данных водах растворены моноароматические углеводороды. Если рассматривать растворимость в общем для нефтепродукта, мг/л, то для нефти она находится в пределах 10…50, бензинов — 9…505, керосинов — 2…5, дизельного топлива 8…22.

Помимо механизма молекулярного растворения переход нефтепродуктов в воду может осуществляться также за счет процессов эмульгирования. Эмульсия образуется при механическом перемешивании двух несмешивающихся жидкостей, а их устойчивость существенно зависит от снижения нормальных значений поверхностного натяжения на границе раздела фаз нефтепродукт — вода. Существенно влияет на снижение межфазового поверхностного натяжения присутствие эмульгаторов.

Таблица 2 – Растворимость различных групп углеводородов в дистиллированной воде при температуре 25 °С