Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Геоэкологическое обоснование рекультивации нефтезагрязненных заболоченных земель с использованием модифицированных торфяных мелиорантов

ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология

Автореферат диссертации по теме "Геоэкологическое обоснование рекультивации нефтезагрязненных заболоченных земель с использованием модифицированных торфяных мелиорантов"

На правах рукописи

ЯКУПОВ ДАМ ИР РЛДИФОВИЧ

ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ РЕКУЛЬТИВАЦИИ НЕФТЕЗАГРЯЗНЕННЫХ ЗАБОЛОЧЕННЫХ ЗЕМЕЛЬ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МОДИФИЦИРОВАННЫХ ТОРФЯНЫХ МЕЛИОРАНТОВ

Специальность 25.00.36 —Геоэкология (науки о Земле)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

1 9 ДЕК 2013

Екатеринбург - 2013

005544323

005544323

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»

Научный руководитель - доктор технических наук,

доцент Гревцев Николай Васильевич

Официальные оппоненты: Гуман Ольга Михайловна,

доктор геолого-минералогических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «УГГУ», профессор кафедры гидрогеологии, инженерной геологии и геоэкологии; Новиков Виталий Прокофьевич, кандидат геолого-минералогических наук, доцент, Федеральное государственное учреждение «Территориальный фонд геологической информации по Центральному федеральному округу», ведущий специалист.

Ведущая организация — Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт горного дела Уральского отделения Российской академии наук».

Защита диссертации состоится 28 декабря 2013 г в 11 00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.280.01, созданного на базе ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет», по адресу: 620144, г. Екатеринбург, ГСП, ул. Куйбышева, 30, 3-й учебный корпус, ауд. 3326,

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан 27 ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

А.Б. Макаров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Проблема охраны окружающей среды приобрела особую остроту в связи с загрязнением почв и водоемов в результате освоения в широких масштабах нефтегазовых ресурсов. В Ханты-Мансийском автономном округе - Югра (ХМАО-Югра) добывается более 50% всей нефти России, что приводит к существенному техногенному воздействию на окружающую среду. Основным объектом воздействия на окружающую среду являются нефтепроводы. На сегодняшний день в округе около 50% трубопроводов эксплуатируется сверх нормативного срока. Только в 2010 г. на нефтепроводах произошла 4371 авария с попаданием в окружающую среду около 5,4 тыс. т нефти (Лопатин и др., 2012).

Отличительными особенностями природных условий региона являются значительная обводненность территории, наличие многолетнемерзлых пород, неблагоприятные природно-климатические условия, обширные проявления экзогенных геологических процессов (заболачивание, пучение, термокарст, со-лифлюкция, морозобойное растрескивание и др.). Все это не только способствует быстрому распространению нефтяного загрязнения, но и значительно усложняет и удорожает стоимость проведения рекультивационных мероприятий.

Значительный вклад в разработку современных технологий по ликвидации разливов нефти и нефтепродуктов на заболоченных землях внесли работы Лопатина К.И., Толстограя В.И., Женихова Ю.Н., Юсупова И.А., Суворова В.И., Зубайдуллина A.A., Суховой И.В., Вершинина Ю.А., Фахрутдинова А.И., Алексеева Т. П., Бурмистрова Т. И., Терещенко Н. Н., Стурман В.И. и др.

Применяемые физические, химические способы очистки от нефти и нефтепродуктов не всегда обеспечивают их полное удаление и, применительно к природно-климатическим условиям ХМАО-Югра, часто не позволяют получать положительный результат. Актуальной при решении задачи рекультивации нефтезагрязненных земель является разработка способов стимулирования активности аборигенной углеводородокисляющей микрофлоры загрязненной почвы, не требующих трудоемких, дорогостоящих операций, связанных с выделением, культивированием и внесением углеводородокисляющей культуры микроорганизмов. Положительный эффект при этом может быть достигнут за счет применения модифицированных торфяных мелиорантов (МТМ), обеспечивающих процессы сорбции и деструкции углеводородов нефти.

Объектом исследования являются нефтезагрязненные заболоченные земли.

Предмет исследования - рекультивация нефтезагрязненных земель с использованием мелиорантов на основе торфяного сырья и осадков сточных вод.

Целью работы является разработка нового мелиоранта на основе торфяного и техногенного сырья и исследование его влияния на процессы сорбции и деструкции углеводородов нефти при рекультивации нефтезагрязненных заболоченных земель.

/

!п

о*

Для достижения дели были поставлены и выполнены следующие задачи:

1. Проведен анализ влияния нефтедобычи на загрязнение земель на территории ХМАО-Югра.

2. Исследована эффективность различных рекультивационных мероприятий по восстановлению фитоценоза.

3. Выполнено геоэкологическое обоснование возможности и целесообразности использования при рекультивации местных торфяных и техногенных ресурсов.

4. Исследован процесс сорбции нефтепродуктов модифицированными торфяными мелиорантами.

5. Исследован процесс деструкции нефтепродуктов с использованием модифицированных торфяных мелиорантов.

6. Разработана методика прогнозирования продолжительности деструкции нефтепродуктов с применением модифицированного торфяного мелиоранта.

7. Исследован процесс миграции тяжелых металлов в системе «почва -растение» при использовании модифицированных торфяных мелиорантов.

8. Предложена схема выбора технологических мероприятий при рекультивации нефтезафязненных заболоченных землях с использованием модифицированных торфяных мелиорантов.

Рабочая гипотеза. Посредством выбора рецептуры и ' методов управления качественными показателями мелиорантов обеспечивается получение модифицированных торфяных мелиорантов, обладающих сорбционными свойствами и деструкцоинной способностью, применение которых позволяет совершенствовать технологию рекультивации заболоченной нефтезагрязненной территории с одновременным решением вопросов утилизации техногенного сырья.

Научная новизна. Впервые были проведены исследования изменений сорбционных свойств торфяных мелиорантов в зависимости от содержания осадков сточных вод. Исследовано влияние на деструкции углеводородов нефти путем внесения модифицированных торфяных мелиорантов с различным содержанием осадков сточных вод. Разработана методика прогнозирования продолжительности деструкции углеводородов нефти с применением модифицированного торфяного мелиоранта. Проведен анализ влияния содержания осадков сточных вод на процесс миграции тяжелых металлов Си, N1, Сг, 2п в биомассу растений из модифицированного торфяного мелиоранта при деструкции нефтепродуктов. Предложена схема выбора рекультивационных мероприятий, исходя из сохранности растительности и уровня загрязнения на заболоченной территории.

Практическая значимость. По результатам работы предложен модифицированный торфяной мелиорант на основе верхового торфа с содержанием ОСВ от 25 до 33%, обладающий высокими сорбционными свойствами и де-струкционной способностью, позволяющий снизить содержание нефтепродуктов за два летних сезона до значений ПДК торфяных почв при начальном

уровне загрязнения до 150 г/кг. Предложены технологические приемы рекультивации нефтезагрязненных заболоченных территорий с использованием модифицированных торфяных мелиорантов, позволяющие сохранить торфогене-зный слой загрязненной территории. Представленные исследования обосновывают способ утилизации органических отходов и целесообразность их использования при рекультивации нефтезагрязненных земель.

Научные положения, выносимые на защиту;

1. Геоэкологическое обоснование выбора технологии рекультивации нефтезагрязненных заболоченных земель основывается на геоморфологических, почвенных и гидрологических характеристиках территории с сохранением естественного фитоценоза и возможности и целесообразности использования местных торфяных и техногенных ресурсов.

2. Модифицирование торфа посредством гранулирования и введения осадков сточных вод с последующей искусственной сушкой позволяет получить мелиорант, обеспечивающий эффективность процессов сорбции и деструкции при рекультивации нефтезагрязненных заболоченных земель.

3. Модифицированные торфяные мелиоранты отвечают требованиям по содержанию тяжелых металлов в рекультивационном материале. При фиторе-культивации на участках с модифицированными торфяными мелиорантами содержание ионов тяжелых металлов в зеленой массе растений соответствует нормативным требованиям.

Апробация работы и публикации. Основные положения диссертационной работы докладывались: на 13-й Международной выставке-конференции «Уралэкология - техноген», (2003 г.); на ежегодных международных научно-практических конференциях молодых ученых и студентов в рамках Уральской горнопромышленной декады, г. Екатеринбург (2010-2013 гг.), на ежегодных ученых советах НИИ охраны труда, г. Екатеринбург (2011,2012, 2013 гг.).

Результаты диссертационного исследования используются в Уральском государственном горном университете на кафедре «Природообустройство» при проведении занятий по учебным дисциплинам: «Рекультивация нарушенных земель», «Мониторинг загрязнения окружающей среды». Материалы исследования включены в монографию «Энерготехнологические способы управления качественными показателями торфяных композиционных материалов» и используются для обучения магистров и аспирантов.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 9 работ, в том числе 1 статьи в ведущих рецензируемых научных журналах, определяемых ВАК.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографического списка, содержащего 144 источника. Объем работы - 132 страницы машинописного текста, в том числе 35 рисунков и 17 таблиц.

Благодарности. Автор выражает особую признательность научному руководителю доценту, доктору технических наук Н. В. Гревцеву за постановку задачи, постоянное внимание и консультации на всех этапах работы над диссертацией. Автор выражает глубокую благодарность коллективу НИИ охраны

труда г. Екатеринбурга, лаборатории промышленной экологии за поддержку и оказание содействия при проведении экспериментальных исследований.

Диссертационная работа соответсвует следующему пункту паспорта специальности 25.00.36 «Геоэкология» (науки о Земле - геолого-минералогические науки): п.п. 1.10.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Обоснована актуальность работы, определена ее цель, объект и предметы исследования, научная новизна и защищаемые положения.

Глава 1. Анализ особенностей нефтяного загрязнения территории ХМАО-Югра.

Рассмотрено влияния геоэкологических особенностей территории ХМАО-Югра на геоморфологические условия заболоченности и торфонакоп-ление, определены основные типы и виды торфа. Представлена многофункциональность заболоченных земель в экологическом равновесии биосферы. Проведена оценка влияние нефтедобычи на загрязнение нефтью и нефтепродуктами заболоченных земель и торфяных месторождений при их территориальном совмещении. Рассмотрены применяемые методы рекультивации нефтезагряз-ненных земель. Поставлены задачи исследования

Глава 2. Геоэкологические особенности территории ХМАО-Югра.

Проведена оценка влияния рекультивационных мероприятий на эффективность восстановления загрязненной заболоченной территории и естественного фитоценоза. Дано обоснование возможности и целесообразности применение местных торфяных и техногенных ресурсов для рекультивации нефтезагрязненной заболоченной территории. Проведен анализ миграционной способности нефтепродуктов в почвах, в т.ч. и на торфяных.

Глава 3. Обоснование методики экспериментальных исследований.

Проведены теоретические исследования изменения сорбционных свойств торфа в зависимости от его технических характеристик. Рассмотрены состав и свойства нефти и нефтепродуктов. Обоснована методика проведения экспериментальных исследований на основании характеристик торфа и осадков сточных вод.

Глава 4. Экспериментально-теоретические исследования свойств торфяного модифицированного мелиоранта.

Проведены исследования изменения сорбционной емкости торфяного мелиоранта в зависимости от содержания ОСВ, диаметра гранул и вида нефтепродукта. Исследовано влияние содержания ОСВ в торфяном мелиоранте на изменение деструкционной способности при различных уровнях загрязнения торфяной почвы. Проведены исследования миграционной способности тяжелых металлов Си, Сг, Тп из модифицированного торфяного мелиоранта в зеленую массу растений при различных уровнях загрязнения торфяной почвы.

Глава 5. Обоснование технологии рекультивации заболоченных нефтезагрязненных территорий.

Предложена схема выбора технологических операций при рекультивации нефтезагрязненных заболоченных земель. Проведена экономическая оценка

эффективности рекультивационных мероприятий на нефтезагрязненной заболоченной территории с применением модифицированного торфяного мелиоранта в сравнении с известными технологическими приемами.

Первое защищаемое положение

Геоэкологическое обоснование выбора технологии рекультивации нефте-загрязненных заболоченных земель основывается на геоморфологических, почвенных и гидрологических характеристиках территории с сохранением естественного фитоценоза, возможности и целесообразности использования местных торфяных и техногенных ресурсов.

Нефтяное загрязнение отличается от многих других антропогенных воздействий тем, что оно дает не постоянную, а, как правило, «залповую» нагрузку на среду, что приводит к глубокому изменению всех звеньев естественных биоценозов или их полной трансформации.

ХМАО-Югра является крупнейшим регионом на территории ЗападноСибирской равнины, характерной особенностью которого является высокая заболоченность значительных площадей. Интенсивность заболачивания территории тесно связана с исключительно плоским рельефом поверхности, наличием отрицательных форм рельефа как очагов заболачивания, природно-климатических факторов, термокарстовых процессов и др. Важную роль в образовании болот играет гидрографическая сеть (рис. 1). Степень расчлененности рельефа Западно-Сибирской равнины по глубине и густоте крайне недостаточна, поэтому гидросеть не способствует интенсивному речному стоку (Зем-цов A.A., 2000). Высокие уровни залегания грунтовых вод влияют на интенсивность заболачивания территории.

Торфяные болота, занимая 34,64% площади ХМАО, являются главным элементом географического ландшафта округа (Суворов В.И, 2012). На территории округа кроме заболоченных земель и болот расположено 2176 торфяных месторождений площадью в промышленных границах более 13 млн. га и запасами свыше 312 млрд. м3 естественной влажности, что составляют примерно 25% российских и 10% мировых запасов торфа (Толстограй В. И, 2001 ).

На территории Западной Сибири, по мнению авторов Куваева В. Б., и др., наиболее широкое распространение получили не более 70 видов торфа, как наиболее часто встречаемых и генетически связанных с современными фитоце-нозами. Многие виды торфа Западной Сибири (особенно верхового типа) отличаются пониженными показателями степени разложения по сравнению с одноимёнными видами торфа европейской части России. Степень разложения верхового типа торфа может достигать до 45%. Почти все виды торфа в Западной Сибири (особенно низинного типа) отличаются высоким содержанием соединений фосфора, превышение его для некоторых видов торфа почта в 2-3 раза в одноимённых видах торфа европейской части России. Кислотность верховы типов торфа в Западной Сибири колеблется в пределах 2,9 - 4,1, низинных -- 7,3. В сравнении с одноимёнными видами торфа европейской части Рс низинные виды торфа в Западной Сибири отличаются более кислой реакц». Средняя зольность видов торфа верхового типа, независимо от принадлежности

к соответствующей группе и географического положения болот, колеблется в пределах 2,5- 5%, для низинного типа торфа этот показатель может достигать до 35%, особенно у торфов древесной, древесно-травяной и древесно-моховой групп (Лисс ОЛ., 1981).

Интенсивное развитие нефтяной промышленности не может не сказаться на экологической ситуации в регионе (рис. 2). Объекты добычи нефти и газа в основном расположены на заболоченных территориях, нанося непоправимый ущерб торфяным ресурсам региона.

Распространение нефтяного загрязнения во многом определяется геоморфологией, почвенными характеристиками территории, уровнем стояния грунтовых вод и условиями поверхностного и фильтрационного стоков. При поверхностном загрязнении трещиноватых и пористых минеральных пород возможен перенос нефтепродуктов вместе с фильтровальными потоками и их проникновение во внутренние слои массива. На заболоченных землях, как правило, грунтовые воды расположены у поверхности, и нефтяное загрязнение распространяется в основном горизонтальными фильтрационными потоками и определяется поверхностным стоком.

При радиальном распределении нефти в почвенном профиле значительную роль играют так называемые барьеры-аккумуляторы, то есть горизонты с повышенной нефтеемкостью. Торфяные горизонты, обладая наибольшей нефтеемкостью (более 400 г/кг) в сравнении с минеральными грунтами, формируют мощную систему барьеров-концентраторов в вертикальном профйле почв (Солнцева Н.П., 1998).

На заболоченной территории с верховым типом торфа наблюдалось следующее радиальное распределение разлитой нефти: в моховом очесе было сосредоточено 93,33 % ее массы; на глубине 0-5 см - 5,52 %; на глубине 5-20 см -0,66 %; на глубине 20-30 см - 0,33 % и на глубине 30-60 см - 0,16 %. В аллювиальной торфянисто-болотной почве разлитая нефть распределилась несколько иным образом: в дернине - 94,80 %; на глубине 0-5 см - 2,02 %; на глубине 5-20 см - 1,05 %; на глубине 20-30 см - 1,20 % и на глубине 30-60 см - 0,93 % (Зу-байдуллин A.A., 2003).

Эти особенности необходимо учитывать при выборе технологии ликвидации разливов нефти и последующей рекультивации нефтезагрязненных участков заболоченной территории.

Говоря о процессах восстановления нефтезагрязненных заболоченных экосистем, многие исследователи обращают внимание на то, что обычные ре-культивационные мероприятия не всегда способствуют восстановлению заболоченных почв и естественного фитоценоза и часто сами наносят долговременный вред природе.

Проведение рекультивационных мероприятий на поверхности заболоченной территории в соответствии с классификацией, предложенной Чижовым Б. Е., Долингером В. А., предполагают активное воздействие на торфогенезный слой, что приводит к нарушению функционирования деятельного слоя залежи, в котором происходят процессы массо- и теплообмена с окружающей средой, и затягивает самовосстановление болотного биоценоза на годы.

Рисунок 1. Фрагмент ландшафтной карты ХМАО-Югра с схематическим профилем и геоморфологическими группами

торфяных месторождений верхового типа

Нефтеюганска! район

Рисунок 2. Карта - схема нефтезагрязнения земель на территории ХМАО-Югра и образование за 2007 год в процентах от общего количества площади нефтезагрязненния земель запасы торфяных ресурсов (2) и осадков сточных вод (3) в административных районах

По мнению Лопатина К. И., Толстограй В. И., Женихова Ю. Н., Суворова В. И., Панова В.В., проведение реабилитационных работ на загрязненных нефтью заболоченных ландшафтах должно основываться на мягких технологиях, не затрагивающих основной биопродуцирующий торфогенный слой. Суть технологии заключается в локализации и сборе свободной нефти, с минимальным воздействием на торфогенезный слой с последующей засыпкой воздушно-сухим фрезерным торфом (со = 40-60%) с фрагментами сфагнового и других мхов и последующим мониторингом. При повышении уровня грунтовых вод (ливневые, поводковые воды) из торфогенезного слоя выдавливается слабосор-бируемая нефть, а слой подсушенного торфа сорбирует ее на себя, тем самым, во-первых, снимая нагрузку с торфогенезного слоя (до 50% нефти), а во-вторых, препятствуя миграции свободной нефти в сопредельные среды (Суворов В.И., 2012).

Торф — многокомпонентное природное образование, имеющее в своем составе различные минеральные и органические соединения, нетоксичен, дешев, доступен, широко распространен, легко поддается механической и другим видам обработки. Вследствие развитой поверхности и наличия углеводородо-кисляющих микроорганизмов может служить как сорбентом нефтяных компонентов, так и их деструктором (Бурмистрова Т.Н. и др., 2003).

Наличие больших запасов в округе (см. рис. 2) позволяет приравнять его к приоритетному рекультивационному материалу, но вследствие сложности гидрогеологических условий, • а также неблагоприятных ириродно-климатических условий на территории ХМАО-Югра добыча воздушно-сухого фрезерного торфа практически невозможна, и поэтому при использовании необходимо уделять внимание добычи и переработки торфа.

Поиск приемов, позволяющих упростить и снизить затраты на- процесс рекультивации нефтезагрязненных земель без потери качества проводимых работ, является актуальным и по сей день. Одним из таких приемов может стать использование композиций торфа и осадков сточных вод станций биохимической очистки городских сточных вод (ОСВ), содержащих все необходимые для обеспечения жизнедеятельности углеродоокисляющих микроорганизмов компоненты.

По ориентировочной оценке общее количество ОСВ на очистных станциях России в 1995 году-составляло свыше 10 млн.т по сухому веществу: Вопрос утилизации стоит остро во многих регионах.

Ежегодно на территории ХМАО - Югра образуется более 12,3 тыс. т ОСВ с размещением их на полигонах ТБО и ПО (см. рис. 2), что могут, образовывать очаги вторичного загрязнения окружающей среды. ОСВ образовывается в результате использования природных механизмов самоочищению сточных вод от загрязнителей, поэтому перспективными для утилизации следует признать те направления, в которые он вовлекается в естественный природный цикл веществ в биосфере.

Осадки сточных вод индивидуальны по своему химическому составу, и в настоящий момент они мало изучены. Разработка научных основ применения ОСВ в качестве удобрений при обогащении элементами питания почв в основном естественного происхождения, при рекультивации нарушенных земель

позволит значительно сократить сроки реабилитации и получать экономический эффект.

Колебания в содержании основных элементов питания в ОСВ (Пахненко Е. П., 2009; Богатырев С.М.,1999; Алексеева A.C., 2002) составляют: по азоту 0,8...6%, фосфору 0,6...5,6%, калию 0,1...0,5%. Несомненным достоинством ОСВ является высокое содержание органического вещества - до 75%.

Одним из основных факторов, сдерживающих применение ОСВ в растениеводстве, является наличие в них солей тяжелых металлов, влияние которых на почву, растения мало изучено. Следовательно, для решения вопроса применения имеется ряд трудностей и неразрешенных задач.

Из существующих методов утилизации ОСВ наиболее надежным и экологически выгодным является метод почвенного удаления, при этом одновременно решается ряд задач: исключается необходимость хранения (захоронения), повышается плодородие почв. Одним из методов применения ОСВ является внесения его как органического удобрения в почвы с большой буферной емкостью применяемого для лесоразведения, выращивания декоративных растений, постоянного залужения многолетними травами, не применяемыми для пищевых и кормовых целей.

Второе защищаемое положение

Модифицирование торфа посредством гранулирования и введения осадков сточных вод с последующей искусственной сушкой позволяет получить мелиорант, обеспечивающий эффективность процессов сорбции и деструкции при рекультивации нефтезагрязненных заболоченных земель.

Торф, являясь идеальным природным сорбентом, способен удерживать 15-25 частей воды на единицу сухого вещества (Лиштван И. И. и др.; 1989). Добыча торфа по своей сути является технологическим процессом по обезвоживанию (сушке) торфяного сырья, приемом концентрирования действующего вещества в единице объема или массы. Технологии обезвоживания (сушки) торфа могут быть различными, но конечной целью любой технологии является получение воздушно-сухого торфа, который может использоваться для различных экологических целей.

Вследствие сложности гидрологических условий, а также неблагоприятных природно-климатических условий на территории ХМАО-Югра, применяемые в настоящее время распространенные технологии (фрезерный способ добычи, полевая сушки и др.), получение необходимых качественных характеристик торфяной продукции, необходимых при рекультивации, невозможны. Для получения качественной торфяной продукции необходимо применять такие технологические приемы, как: искусственная сушка, грануляция, которая позволяет использовать в качестве добавок техногенное сырье и получать необходимые качественные характеристики торфяной продукции.

Исследования сорбцнонных свойств проводились с торфами, наиболее распространенными на территории ХМАО-Югра. Анализ распространения типов и видов торфа показал, что 80 % преобладает верховой тип торфа (Лисс О.Л., 2001). Торфяное сырье выбирали с учетом типа, степени разложения,

12

зольности и группового соствза, которое характеризовалось содержанием битума, гуминовых веществ, фульвокислот, целлюлозы, лишююм и зольностью (табл. 1 и рис. 3). Зольность торфа определяется по процентному соотношению при прокаливании остатка к общему весу пробы.

11ри производстве МТМ в качестве -техногенного сырья использовали ОСВ, которое широко используется при озеленении и биологической рекульгивации нарушенных земель. Содержание основных элементов питания и тяжелых металлов в ОСВ характеризуется показателями, приведенными в табл. 2 и 3.

Для получения необходимых физико-химических и технологических свойств мелиоранта проводили грануляцию методом экструкции с последующим окатыванием. Физико-технические свойства исходного торфяного сырья и полученных образцов определили по типовым методикам. В качестве сорбата использовали нефтепродукты е плотностью 0,905 кг/м\ Сорбциопную емкость определяли по фракциям торфяных мелиорантов менее 0,5 мм; 1 мм; 2 мм; 3 мм; 4 мм. В процессе грануляции гомогенной смеси мы получали гранулы с содержанием ОСВ не только на поверхности, но и в самом объеме гранулы, что позволяет получить ; фолокгированный мея-юрант.

Таблн!(а I. Характеристики исходного торфяного сырья

Показатели Тип торфа

верховой: пуши-цево-сфагновый низинный: осоково-сфагиовый

Степень разложения Я, % 10 25

Зольность Ас, % 1.4 6,1

Кислотность рН,ц0 3,9 6.5

Влажность W, % 85 82

я* К 4« >5 ш

» 19 1« *Л

5 Г"1 .

Вгрюао! герфа

Пи.иниъ.м тип торфа

1«.9

О.

в«'- ГК Ц Л К №. ГК ФК ц

ЯГ лг

Рисунок 3. Группогой состав органической массы торфа

П

7лу Си N1 Мп Сг

Вид металла 4501,02 783,66 152,08 10,85 119,83

Превышение по ПДК* 1.13 - - - -

* По СанПи! I 2.1.7.573-96. 2.1.7.

РЬ Сс1 ЧВ Ав

171,01 15,6 0,9 2,5

- - - -

Таблица 3. Содержание основных питательных веществ в ОСВ

Показатели Содержание

Влажность, % 85,6

Кислотность рЦтео 6,8

Содержание органическою вещества, % 67,4

Валовое содержание азота N. % 4,2

Валовое содержание фосфора РгО}, % 1.« .

Валовое содержание калия КгО, % 035

Проведенные исследования показывают, что с увеличением содержания ОСВ снижается сорбциокная емкость торфяных мелиорантов. Это объясняется агрегатным состоянием ОСВ, которые являются мелкодисперсной системой (Пахненко Е. П., 20)0) и в процессе окатывания, выступают в качестве пластифицирующего вещества, заполняя межпоровое пространство торфяных ассоциа-тов.

Высокие значения сорбции мелиорантов верхового типа (рис. 4а) по сравнению с мелиорантами из низинного типа торфа (рис. 46), можно объяснить разной степенью разложения, изменением структуры и группового состава торфа при биохимическом распаде растений-торфообразователей. Сильно разложившийся торф содержит значительное количество аморфных продуктов распада, утративших клеточное строение, которые, размещаясь в ячейках макроструктуры торфа, образуемой остатками растений, препятствуют проникновению туда нефтепродукта.

Рисунок 4. Изменение небтеемкосги МТМ на основе торфа верхового гипа (а) и низинного таи (б) в зависимости от диаметра гранул при различном содержании ОСВ: 1 -С/..2- 17%, 3-25%, 4-33%, 5-50%

Таблица 4. Уравнения зависимости нефтеемкости от диаметров фанул МТМ

Содержание ОСВ, У. Тип торфа

Верховой 1 (шинный

0 у -0,324х ♦ 2,226 Я1- 0,925 у--0,1616х+1.1816 -0,976

17 у- -0.30&Х *2,| 0,906 у - -0.148х + 1.0894 Я' = 0,979

25 > -0,31»х +1,991 К1-0,912 у - -0,145х ♦ 1,0062 Я' - 0,963

33 у -0.28&Х + 1,79 И1-0,928 у ~ -0,1368х ♦ 0,915 = 0.971

50 )г--0,20:х+ 1.194 ^=0.954 -0,116х +0.68 Я2 0,975

Из анализа графиков видно, что с уменьшением диаметра гранул мелиоранта увеличивается его сорбционная емкость. Данный факт может быть объяснен влиянием двух причин: во-первых, сорбционная емкость материала зависит от удельной площади поверхности, контактирующей с сорбатом, и чем меньше диаметр частиц мелиоранта, тем больше площадь контакта и тем выше его сорбционные свойства. Во-вторых, фану л ы мелиоранта имеют неправильную форму. Платность упаковки гранул мелиоранта в мелкодисперсной фракции увеличивается, создавая пористое пространство способное удерживать нефтепродукт.

В процессе окатывания ОСВ выступает в качестве пластифицирующего вещества, что увеличивает качественные характеристики получаемых гранул. Гранулы, содержащие ОСВ в соотношении 25% и 33% имеют более сферическую форму, при высыхании имеют большую прочность на истираемость. Гранулы с соотношением содержания ОСВ и торфа более 50% при формовании имеют склонность к слипанию и образованию кусковых форм больших размеров.

Исследованни деструкции нефтепродуктов при использовании МТМ проводились в лабораторных условиях поэтапно в течение двух летних сезонов с июня по август согласно схеме эксперимента (рис. 5). Контрольными в эксперименте служили образцы торфяной почвы без внесения мелиорантов и удобрений. Нефть вносили в концентрациях 5%; 10%; 15%; 25% по массе почвы. Уги концентрации охватывают уровни загрязнения торфяных почв от среднего (5%) до очень высокого (25%).

По результатам анализа содержания нефтепродукта в образцах по истечению 30,60, 90 и 180 дней строили зависимости деструкции от продолжительности для различных мелиорантов (рис. 6 и 7).

1111-ггп ГТТ'1 ГТ Т~1

0000 0В00 0000 Н00®

г~т

[

ОСВ -0%

[ Нишп^ пш торфа ]

Сяхрлшяг ОСВ •

X

[ ОСВ-1Т» ]

1

I оса лч

ОСВ-504

Г

1 ХХЛО-, 1 г.и ХДД

53000 г£~11 II »» 10 | 10 Г*И »» II "» 1Г5*

Рисунок 5. Схема проведения экспериментов 15

• » • Я W I» ID

И(«ЮШК1Ш1к, 01»

Рисунок 6. Изменение во времени содержания углеводородов нефти в торфяной почве верхового типа с внесением минеральных удобрений

• » » т и» is* 1»

Рисунок 7. Изменение во времени содержания углеводородов нефти в торфяной почве верхового типа с внесением МТМ с содержанием ОС В 33% и 67% торфа

верхового типа

Во всех образцах с внесением МТМ и начальной концентрацией 50 г/кг, содержание нефтепродуктов стало ниже ПДК уже по истечению 60-70 дней. В образцах с внесением МТМ с содержанием ОСВ 25-33% по истечению 180 дней содержание нефтепродуктов снизилось до значений ПДК при начальной концентрации 100 г/кг, 150 г/кг - для образцов с низинным тихом торфа, а для образцов с верховым типом торфа с начальной концентрацией 100 г/кг. В образцах с внесением торфяного мелиоранта по истечению ISO дней содержание нефтепродуктов было выше, чем при внесении МТМ, и составило (при началь-

них концентрациях 250, 150, 100 и SO г/кг) 73,46 г/кг, 42,35 г/кг, 29,01 г/кг, 11,12 г/кг для образцов с низинным типом тсрфа; для образцов с верховым типом торфа - 79,68 г/кг, 49,68 г/кг, 32,31 г/кг, 16,26 г/kj соответственно. По истечении 180 дней в образцах с высокими начальными концентрациями 250 г/кг и внесением МТМ содержанием ОС В 17%; 25%; 33%; 50% наблюдалось снижение содержания нефтепродуктов для образцов с низинным типом торфа на 76,5%, 80,3%, 82,4%, 80,3% и образцов с верховым типом торфа - 77,5%, 77,9%, 80,8%, 81,3% соответственно.

По экспериментальным данным построены кривые скорости деструкции (рис. 8). Скорость деструкции нефти представляет изменение концентрации нефти (dC ) во времени (di) и определяется по формуле: i =

На этих кривых можно выделить следующие участки:

- участок 1, характеризующийся периодом постоянной скорости деструкции нефти;

- участки 2 и 3, характеризующиеся периодом убывающей деструкции нефти и в последствии затухающим периодом.

Рисунок 8. Кривые скорости деструкции нефтепродуктов: а - в зависимости от их концентрации; б - характерные участки на кривой скорости деструкции

Далее предлагается заменить полученные экспериментально кривые зависимости на ломаные линии, которые строятся по методу наименьших квадратов. Аналогичный прием широко используется в теории сушки влажных материалов, кускового и фрезерного торфа в полевых условиях. По каждому конкретному участку определили параметры уравнения (табл. 5).

Таблица 5. Параметры уравнения для характерных участков кривой скоро

сти деструкции нефти i-/(Q

Помер образца Участок 1 Участок 2 Участок 3

1 С,. е.. к, с„ с. к, С„ с.

1 1.4 250 187,37 54,05 187,37 126,5 112 333,3 . 126,5 112.75 10 10

2 0.8 150 87/» 59.5 87 60.9 42 156,2 60,9 46.35

3 0,6 100 49,3 32.2 494 31,8 30 200 33.8 27.4 10

Для участка I, продолжительность скорости деструкции нефтепродуктов определяем по уравнению:

АС С.-С.

*, - — - -1

•

где: ДС - изменение концентрации, г/кг, I - скорость деструкции в постоянном периоде, г/кг*сут.

За основу для определения продолжительности периодов участков 2 и 3 кривой деструкции, применили уравнение:

СП

или

т, и т.-к.Ь^*"^

1 С„-С, Сь-с.

где: к, - • —; С« - начальная концентрация нефтепродуктов, г/кг; С,«- ко-Ща,

нечная концентрация нефтепродуктов, г/кг. Со- нулевая концентрация нефтепродуктов, г/кг.

Среднее отклонение результатов расчетных и экспериментальных данных отвечает точности инженерных расчетов и составляет 7,64%.

Таким образом, предложенная методика расчета процесса деструкции нефтепродуктов позволяет протезировать сроки ликвидации аварийных разливов неф™ с учетом уровня загрязнения и типа используемого МТМ.

Третье защищаемое положение

Модифицированные торфяные мелиоранты отвечают требованиям по содержанию тяжелых металлов в рекулыпивационном материале. При фито-рекуяьтивации на участках с модифицированными торфяными мелиорантами содержание ионов тяжелых метаглов Си, Л7, Сг, 7м в зеленой массе растений соответствует нормативным требованиям.

На почвах разного типа тяжелые металлы при одних и тех же концентрациях оказывают на растения различное воздействие. Поступление тяжелых металлов в растения зависит от многих факторов: концентрации анионов в почвенном растворе, степень гумификации, формами гумусовых веществ, способных образовывать с катионами металлов разные по растворимости соединения, сорбцион-ными процессами на поверхности твердой фазы почвы, а также свойствами самих металлов и др.

Торф - многокомпонентный слабокислотный, полифункциональный, природный органический нонообменник (Лишгван И. И и др., 1989). Торф и многие продукты его переработки являются активными ионообменными материалами и могут быть широко использованы для очистки газов, а также природных и еточмы* яол (Кепмгипич П. И , 1971).

Роль ионообменных центров в нем выполняют активные функциональ-

Роль ионообменных центров в юм выполняют активные функциональные группы гуминовых веществ, а также теми целлюлоза, целлюлоза, лигнин. Емкость обмена торфа изменяется в пределах 100- 250 мг-экв/100 г сухого вещества (Лиштван И. И и др., 1989).

Гуминовые вещества, входящие в состав торфа, выполняют целый набор важных биосферных функций, в том числе регулирование геохимических потоков металлов в почвенных экосистемах и протекторную функцию, подразумевающую их способность связывать в прочные комплексы как ионы металлов, так и органические экотоксиканты в загрязненных водных и почвенных средах (Орлов Д.С., 1992). Результат такого связывания изменение форм существования зкотоксикантов и их миграционной способности, уменьшение биодоступности и токсичности (Перминов И. В., 2004).

Для исследования процесса миграции тяжелых металлов в августе 2-го летнего сезона была посеяна озимая рожь. Фенологические наблюдения производили в течение 30-45 дней после всхода семян. По истечении 30 дней были отобраны образцы зеленой массы озимой ржи для проведения химического анализа на содержание тяжелых металлов (рис. 10).

Сг

; о*

1

Г1 1

I 1 - 1 -

1 I1

250

150

Mau.ii.Hia камнейтрациа мефггпро 1> к юв. I

ш

250 150 1М 50 Начал ьа1аа апммц[ранни меф irtipo.ii к юа. г'ая

Си

/а

5 20 I

1.о

!• X

_

г-|

1 I 1

1 г

250 150 100 50 Начал к««« коанншраама

кфнпроауктаа. гУмг

х 50

1« 1» | 20 I Ю

* О

250 150 100 Начал шаа кмигсшраияа

исфкпрол} ктоа. 1'кт

Рисунок 10. Содержание тяжелых металлов в зеленой массе при выращивании ржи на участках с МТМ с использованием торфа низинного (I) и верхового (2) типа: а) меди (МДУ = 18мг/кг); б) никеля (МДУ = 3 мг/кг); в) хрома (МДУ = 0,5 мг/кг); г) цинка (МДУ = 50мг/кг ).

Химический анализа ОСВ выявил превышение Zn в 1,13 раз. а содержание остальных тяжелых металлов находилось н пределах допустимых норм (СанПиН 2.1.7.573-96. 2.1.7).

При использовании МТМ, содержащих ОСВ от 25 до 33 % во всех образцах с концентрацей нефтепродуктов до 150 г/кг, превышение временного максимально допустимого уровня (МДУ) контролируемых металлов не обнаружено. В образцах с начальной концентрацией нефтепродуктов 250 г/кг содержание никеля в образцах с верховым типом торфа составило 3,81 мг/кг; с низинным типом торфа - 3,50 мг/кг.

Результаты исследований показали, что при содержании ОСВ более 33% концентрация тяжелых металлов (Си, Ni, Сг, Zn) может превышать МДУ в зеленой массе растений.

Наиболее подвижными элементами при деструкции нефтепродуктов в образцах с содержанием ОСВ от 15 до 50% оказались: Сг - превышение МДУ в 7 образцах из 42 образцов; Ni - превышение МДУ в 4 образцах из 42 образцов; Си - превышение МДУ в 2 образцах из 42 образцов; Zn - превышение МДУ в I образце из 42 образцов.

Определенную систематизацию полученных данных с построением зависимости миграции от содержания ОСВ в торфяном мелиоранте не представляется возможным. Полученные данные варьируются не зависимо от концентрации нефтепродукта или ОСВ.

Воз-чожнан схема производства МТМ и рекультивации пефтешгрт-пениых заболоченных te.ue.ib.

При локализации нефтезагрязненного участка необходимо учитывать геоморфологические и гидрологические особенности территории и плотность торфяной залежи. Так как при полном насыщении обьема торфяной залежи до УБВ, создаются благоприятные условия миграции нефти и нефтепродуктов горизонтально по направлению уклонов поверхности, что приводит к увеличению площади загрязнения.

При выборе рекультивационного материала необходимо исходить из его сорбционной способности удержизать нефтепродукты на загрязненном участке, препятствуя миграции в сопредельные среды, обладать необходимые дест-рукционными способностями, позволяющими сократить сроки реабилитации загрязненной территории и экологические критерии, позволяющие применить этот рекультивационный материал на данной территории.

Проведенные исследования позволяют учесть и усовершенствовать предложенную Лопатиным К.И., Толстограем В.И., Вершининым Ю.А., и др. технологию рекультивации заболоченных (заторфованных) территорий. Суть предлагаемой технологии заключается (рис. II) в локализации и сборе свободной нефти подручными средствами, не воздействуя на торфогенезный слой. Послойной засыпкой загрязненной территории МТМ разного фракционного состава в зависимости от уровня загрязнения и с последующим мониторингом.

При высоких уровнях загрязнения от 100 - 150 г/кг необходимо использовать фракции МТМ более 4 мм, что позволяет создать из гранулы некую сферу, содержащую все необходимые макро - и микроэлементы, необходимые для

Рисунок 10. Мероприятия, рекомендуемые при проведении рекультивации нефтезафязненных заболоченных территорий

равномерно распределить содержание нефти между последующими слоями, исключая высокие концентрации в нижних слоях. Следующий слой наносится меньшими фракциями, а последний слой содержит фракции диамегром менее 1 мм, как имеющий набольшую сорбционную емкость 1,56 - 1,72 г/кг, и служит барьером при ми фации нефти в сопредельные среды.

В зависимости от технической возможности, МТМ можно наносить на рекультивируемую поверхность сельскохозяйственными машинами, что позволит исключить техническое воздействие при проведении рекультивационных работ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе в результате выполненных комплексных теоретических и экспериментальных исследований решена актуальная задача геоэкологического обоснования производства мелиоранта на основе горфяного и техногенного сырья и его использования для эффективной рекультивации нефтезафяз-ненных заболоченных территорий. Основные научные и практические результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Применяемые на заболоченных территориях методы рекультивации не учитывают сорбционные и дссфукционные особенности и условия естественного образования торфа и наносят непоправимый ущерб болотным фитоценно-зам. Выбор рекультивациониых мероприятий должен основывается на геоморфологических, почвенных и гидрологических характеристиках зафязненной территории.

2. Наличие больших запасов на территории ХМАО-Югра позволяет приравнять его к приоритетному рекультивационному материалу. Хорошие агрохимические ОСВ позволяют использовать его для обогащения торфа всеми необходимыми компонентами для эффективной деструкции углеводородов нефтепродуктов. Возможность грануляции торфа позволяют создать торфяной мелиорант с содержанием ОСВ не только на поверхности, но и в самом объеме гранулы и получить мелиорант пролонгированного действия.

3. На основании проведенных исследований установлено, что модифицирование торфяного сырья верхового типа путем грануляции и введением ОСВ позволяет получить МТМ с сорбционными свойствами от 0,52 до 1,85 г/г для мелиорантов фракцией до 4 мм и создает условия для деструкции углеводородов нефти:

- МТМ на основе низинного типа торфа с содержанием ОСВ 33 % снижение концентрацию нефтепродуктов в образцах за 180 суток составило 81 - 90% при начальной концентрации до 250. Применение минеральных удобрений позволяет снизить содержание нефтепродуктов до 80-87% при тех же условиях.

- МТМ на основе верхового типа торфа с содержанием ОСВ 33 % снижение концентрацию нефтепродуктов в образцах за 180 суток составило 80 - 90% при начальной концентрации до 250. Применение минеральных удобрений позволяет снизить содержание нефтепродуктов до 77-86% при тех же условиях.

4. По построенной математической модели можно прогнозировать уровень снижения содержания нефтепродуктов при деструкции в заболоченных землях с использованием МТМ.

5. Исследование процесса миграции ТМ из модифицированных торфяных мелиорантов при деструкции нефтепродуктов МТМ с содержанием ОСВ до 33% показал, что концентрация ТМ в зеленой массе растений не превышает допустимых экологических норм (СанПиН 2.1.7.573-96.2.1.7.). Основными ионообменными группами торфа выступает гуминовые вещества и обеспечивают сорбцию ионов ТМ.

6. Предложенная схема рекультивационных мероприятий при проведении рекультивации нефтезагрязненных заболоченных территорий обуславливает выбор вариантов технологических мероприятий из условий сохранности растительности, уровня загрязнения территории с сохранением фитоценоза.

Работы, опубликованные по теме диссертации

Статья, опубликованная в ведущем рецензируемом научном журнале, определенном Высшей аттестационной комиссией:

1. Гревцев Н.В. Добыча и использование торфа для рекультивации нефтезагрязненных почв / Н.В. Гревцев, А.В. Хохряков, А.Г. Шампаров, Д.Р. Якупов // Известия высших учебных заведений. Горный журнал. - 2012. - №1. - С.51-56 (0,3 пл.)

По материалам диссертации опубликованы следующие работы:

1. Якупов Д.Р. Рекультивация нефтезамасленных земель и переработка нефтешламов с использованием торфа и продуктов его переработки / Д.Р. Якупов

Известия высших учебных заведений. Горный журнал. - 2012. - №1. - С.51-56 (0,3 пл.)

По материалам диссертации опубликованы следующие работы:

1. Якупов Д.Р. Рекультивация нефтезамасленных земель и переработка нефтешламов с использованием торфа и продуктов его переработки / Д.Р. Якупов // Материалы Уральской горнопромышленной декады (специальный выпуск). -Екатеринбург, 2003. - С. 407-409 (0,1 п.л.)

2. Якупов Д.Р. Влияние нефти и нефтепродуктов на деградацию почв и возможные пути их решения / Д.Р. Якупов // Материалы Уральской горнопромышленной декады. - Екатеринбург, 2004. - С. 519-521 (0,1 п.л.)

3. Якупов, Д.Р. Перспективы использования торфяного сорбента с иммобилизованной микрофлорой / Д.Р. Якупов // Сборник докладов Уральской международной научно-практической конференции «Уральская горная школа - регионам». - Екатеринбург, 2010. - С. 522-524 (0,1 пл.)

4. Акулова JI.IO. Применения осадков сточных вод в рекультивации нефте-загрязненных почв / Л.Ю. Акулова, Е.И. Полкова, Д.Р. Якупов // Сборник докладов Уральской международной научно-практической конференции «Уральская горная школа - регионам». - Екатеринбург, 2011. - С. 543-545 (0,1 п.л.)

5. Якупов Д.Р. Использование местных торфяных ресурсов для рекультивации нефтезагрязнешшх почв / Д.Р. Якупов, A.B. Попова // Сборник докладов Уральской международной научно-практической конференции «Уральская горная школа - регионам». — Екатеринбург, 2012. — С. 603-605 (0,1 пл.)

6. Гревцев Н.В. Энерготехнологические способы управления качественными показателями торфяных композиционных материалов: научная монография / Н. В. Гревцев, И. А. Тяботов, В. И. Шерстнев, А. В. Горбунов, И. В. Кирсанова, А. Г. Шампаров, Д. Р. Якупов; под ред. Н. В. Гревцева; Уральский государственный горный университет. - Екатеринбург, 2012. - 112 с.'

7. Якупов Д. Р. Рекультивация нефтезагрязненных почв с применением модифицированных торфяных мелиорантов / Д.Р. Якупов // Вестник №5. - М.: МГУП, 2013. С. 233-241 (0,5 п.л.)

8. Нурисламова О.Ф. Применение композиционных торфяных мелиорантов для рекультивации нефтезагрязненных почв / О.Ф. Нурисламова, Т.А. Тюрина, Е.В. Назарова, Д.Р. Якупов // Сборник докладов Уральской международной научно-практической конференции «Уральская школа - регионам». - Екатеринбург, 2013.-С. 523-525(0,1 пл.)

Подписано в печать 22.11.2013. Формат 60x84 1/16 Бумага офисная. Печать на ризографе. Печ. л. 1,6.

Тираж 100 экз. Заказ_

Издательство ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет» 620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30 Отпечатано с оригинала — макета в лаборатории множительной техники

издательства УГТУ