Исследование влияния нефтяных загрязнений на экосистемы Абинского района Краснодарского края и разработка технологии очистки сточных вод нефтяных месторождений

Шохина, Ксения Александровна

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Исследование влияния нефтяных загрязнений на экосистемы Абинского района Краснодарского края и разработка технологии очистки сточных вод нефтяных месторождений
ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Исследование влияния нефтяных загрязнений на экосистемы Абинского района Краснодарского края и разработка технологии очистки сточных вод нефтяных месторождений"

005011161

На правах рукописи ІМОХШЮ-

Шохина Ксения Александровна

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ НЕФТЯНЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ НА ЭКОСИСТЕМЫ АБИНСКОГО РАЙОНА КРАСНОДАРСКОГО КРАЯ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД НЕФТЯНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

Специальность: 03.02.08 - Экология (в нефтегазовой отрасли) (технические науки)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Краснодар-20 И

005011161

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный университет»

Научный руководитель: доктор химических наук, профессор

Буков Николай Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Защита состоится «23» декабря 2011 года в 12 часов 30 минут на заседании диссертационного совета ДМ 212.100.08 при Кубанском государственном технологическом университете по адресу: 350020, г. Краснодар, ул. Красная, 135, ауд. 94.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кубанского государственного технологического университета по адресу: 350072, г. Краснодар, ул. Московская, 2.

Автореферат разослан «22» ноября 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

Ксандопуло Светлана Юрьевна доктор технических наук, доцент Овчаров Сергей Николаевич

Ведущая организация: ОАО НПО «Бурение», г. Краснодар

кандидат химических наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы Деятельность нефтедобывающих предприятий (НДП) обуславливает существенное воздействие на природные компоненты и комплексы, приводя к техногенным изменениям природной среды и формированию особых природно-техногенных экосистем. Исследования различных аспектов оценки и регулирования воздействия таких систем на живую природу позволяют расширить и углубить представления о нефтепромысловом техногенезе, его влиянии на трансформацию окружающей природной среды. С учетом приоритетного развития Краснодарского края как рекреационного региона, вопрос о нефтяных загрязнениях (НЗ) окружающей среды стоит особенно остро. Угрожающий рост накапливаемых ежегодно опасных НЗ при отсутствии мероприятий по их утилизации приводит к изъятию земельных и водных ресурсов на длительные сроки. В решении этой проблемы одной из основных задач является очистка нефтесодержащих сточных пластовых вод с целью достижения устойчивых характеристик природной среды с допустимыми параметрами нефтяных загрязнений (фоновыми параметрами).

Существующие в настоящее время способы очистки сточных пластовых вод либо дорогостоящи, либо не обеспечивают достаточной степени очистки и, как правило, сопровождаются безвозвратной потерей ценного углеводородного сырья. Очистка сточных пластовых вод различными методами рассмотрена в работах многих отечественных и зарубежных исследователей, однако, результаты анализа сложившейся ситуации позволяют констатировать, что в стране не существует эффективной технологии очистки сточных пластовых вод. В связи с этим большой теоретический и практический интерес представляет анализ возможности использования электрокоагуляционного метода для глубокой очистки сточных пластовых вод и других нефтесодержащих водных объектов.

Цель работы Комплексная оценка влияния нефтяных загрязнений на окружающую среду Абинского района Краснодарского края и исследование возможности применения электрокоагуляционного метода для очистки сточных пластовых вод.

В соответствии с целью исследований решались следующие задачи:

-анализ загрязнений в местах разливов нефти на территории Абинского района Краснодарского края;

- отработка количественных методов мониторинга нефтяных загрязнений на примере нефтяных месторождений Абинского района Краснодарского края;

- разработка экологически безопасных режимов технологического процесса электрокоагуляционного способа очистки сточных пластовых вод;

- экспериментальная проверка электрокоагуляционного метода очистки пластовых вод предприятий ООО «РН-Краснодарнефтегаз».

Методы исследований При выполнении работы использовался предложенный способ очистки сточных пластовых вод и методики проведения исследований и измерений, разработанные в процессе выполнения диссертационной работы, а также стандартные методы и методики, применяемые в лабораторных условиях и при выполнении химико-физических измерений. При теоретическом исследовании - аналитические методы математического анализа, теории вероятностей и случайных процессов, математической статистики и теории ошибок.

Научная новизна Впервые осуществлен систематический мониторинг загрязнений территорий Абинского района Краснодарского края, показано, что основную экологическую опасность представляют нефтяные загрязнения объектов НДП.

Установлена корреляция между нефтяными загрязнениями и индексом регионального здоровья населения Абинского района (по данным Департамента Здравоохранения Краснодарского края).

Впервые проведена комплексная оценка нефтесодержащих сточных пластовых вод резервуарного парка «Бугундырь» и по методу Евдокимова-Ибрагимова произведен расчет общего и индикаторного показателя загрязненности вод. Показана существенная экологическая опасность закачки пластовых сточных вод без их предварительной очистки.

Для минимизации антропогенного воздействия со стороны нефтегазовой отрасли на живую природу проведены инженерно-технические исследования по конструированию реактора для коагуляционной очистки нефтезагрязненных сточных пластовых вод. Доказана целесообразность использования железных электродов и изучены технологические режимы коагуляционной очистки (напряжение, плотность тока, скважность).

Основные положения, выносимые на защиту

1. Результаты комплексной оценки воздействия нефтяных загрязнений НДП на почву и природные воды Абинского района Краснодарского края.

2. Возможность использования электрокоагуляционного метода для очистки сточных пластовых вод нефтяных месторождений, обеспечивающего минимальное техногенное воздействие на окружающую среду.

Практическая значимость работы По результатам проведенных нами исследований доказана технологическая целесообразность доочистки нефтесодержащих сточных пластовых вод на примере резервуарного парка «Бугундырь» ООО «РН-Краснодарнефтегаз».

Принята к изготовлению опытно-промышленная установка электро-коагуляционной очистки сточных пластовых вод и других НЗ на базе ООО «РН-Краснодарнефтегаз».

Полученные результаты нашли отражение в рабочих документах Управления Федеральной службы по надзору в сфере природопользования

(Росприроднадзор) по Краснодарскому краю и Республике Адыгея, а также ООО «Современные технологии». Методологические разработки применяются в ФГБОУ «КубГУ» при обучении студентов, специализирующихся по направлениям подготовки 280700.62 - «Техносферная безопасность» и 280200.62 - «Защита окружающей среды».

Результаты исследований могут быть использованы для оценки предотвращенного экологического ущерба.

Достоверность и обоснованность научных положений и выводов обеспечены современными методами и средствами исследований, использованием статистических методов обработки информации, подтверждением теоретических положений экспериментальными данными.

Личный вклад автора заключается в анализе поставленной проблемы, формулировании задач исследования и проведении экспериментальных лабораторных исследований предлагаемого способа очистки сточных пластовых вод; анализе результатов и формулировке выводов проведенных исследований.

Реализация результатов работы Подана заявка на патент и создана экспериментальная опытно-промышленная установка для очистки сточных пластовых вод и других НЗ электрокоагуляционным методом.

Использование научных и экспериментальных результатов, полученных в диссертационной работе, подтверждено актами, выданными КубГУ, ООО «Современные технологии», УФС по надзору в сфере природопользования по Краснодарскому краю и Республике Адыгея, ООО PH «Краснодарнефтегаз».

2010; XVIII Российской молодежной научно-практической конференции «Проблемы теоретической и экспериментальной химии», Екатеринбург, 2008; V Международной конференции по новым технологиям и приложениям современных физико-химических методов для изучения окружающей среды, Ростов-на-Дону, 2009; Международной научно-практической конференции «Современные направления теоретических и прикладных исследований», Одесса, 2009.

Публикации По результатам работы опубликовано 10 научных работ, в том числе 3 статьи в журналах рекомендованных ВАК РФ и 7 тезисов Всероссийских и Международных конференций.

Структура и объем диссертации Диссертация изложена на 125 страницах, содержит 13 таблиц, 34 рисунка и состоит из введения, 4 глав, выводов, списка литературы, включающего 109 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы и сформулированы цель и задачи диссертационной работы.

Глава 1 посвящена анализу загрязнений территорий нефтяных месторождений зоны Западно-Кубанского прогиба (аналитический обзор). Отмечено, что наибольшую опасность для окружающей среды представляют выведенные из эксплуатации скважины нераспределенного фонда, где наблюдается излив загрязнений диаметром до 5 м (рис. 1). Для рабочих скважин показано, что большая обводненность нефти (до 80 % и выше), приводит к снижению эффективности добычи.

Поэтому на месторождениях, при сохранении сегодняшних объемов добычи, количество образующихся твердых токсичных отходов и загрязненных пластовых вод резко возрастают. При отсутствии мер по снижению экологической опасности, предотвращению разливов нефти, переработке нефтешламов может сложиться ситуация экологической катастрофы.

Рисунок 1 - Типичные нефтяные загрязнения вокруг скважин нераспределенного фонда, выведенных из эксплуатации

Глава 2 посвящена мониторингу нефтяных загрязнений на территории Абинского района Краснодарского края (рис. 2), проводимому в 20052010 гг. совместно с ЗАО «Гея», пос. Холмский.

При проведении исследования загрязнений основным источником информации являлись результаты анализа проб почв, донных отложений, пород и природных вод. Пробы отбирались для анализа на тяжелые металлы, углеводороды (УВ) алифатического, алициклического и ароматического рядов и фенолы (фенолами считали ароматические гидроксилсодержащие соединения, образующиеся в результате окисления нефтепродуктов).

Гидрохимическое опробование поверхностных, грунтовых и артезианских вод проводилось из открытых водоёмов, колодцев, скважин согласно существующим методикам. Объем пробы составлял 8л. Анализ на углеводороды нефти и фенолы проводили по стандартной методике в аккредитованной лаборатории с использованием инфракрасного Фурье-спектрометра «ИнфраЛЮМ ФТ-02» с нижним пределом обнаружения 0,1 мкг/кг. При выполнении измерений проводилась экстракция УВ и фенолов четыреххлористым углеродом и регистрация спектра поглощения очищенного экстракта. Массовую концентрацию нефтепродуктов в пробе определяли с помощью программного обеспечения Фурье-спектрометра «ИнфраЛЮМ ФТ-02».

(

•I

Мсилы

Носоик

9бний ч

9мшиЬ.ий [ОКравченко

.У >

Украинское

Гапсугская

I овыа

• Ноаосадовыц

Абино Украинское

Рисунок 2 - Карта Абинского района с указанием зоны основного нефтяного загрязнения (пунктир) и участков отбора проб

Проведенные исследования показали неравномерность загрязнения исследуемого района нефтепродуктами, в основном, сконцентрированном в селитебной зоне. Наши данные коррелируют с медицинскими исследованиями Погорелова А.В. и Семеновой А.Н. 2010 года, показавших низкий индекс регионального здоровья населения Абинского района, а также других территорий нефтедобычи, что на наш взгляд связано с негативным воздействием НДП на окружающую среду. В целом содержание нефтепро-

дуктов в 30% проб почвы превышало ПДК в 2,8 раз. За период 2005-2010 гг. эти результаты практически повторялись из года в год, хотя наблюдалось 10%-ное снижение концентрации нефтепродуктов и 15 %-ное снижение содержания фенолов в течение года, что можно объяснить миграцией исследуемых соединений в глубинные слои почвы, а также прекращением поступления загрязнений на территории нефтедобычи в связи с принимаемыми мерами по снижению влияния НЗ на окружающую среду со стороны НДП. Там же, где продолжали присутствовать коллекторы с открытой нефтью, содержание нефтепродуктов в почве не уменьшалось. С 2005 по 2010 год площадь таких загрязнений увеличилась почти в 2 раза.

Были выявлены участки с очень высокой концентрацией НЗ. Вблизи от юго-восточной части г. Абииска содержание нефтепродуктов составляло 45-407 ПДК, фенолов 287-1160 ПДК. С запада к городу примыкает участок, на котором обнаружены пробы с концентрацией нефтепродуктов 43 ПДК и концентрацией фенолов 765 ПДК.

В донных отложениях озёр, примыкающих к городу с юга, обнаружено содержание фенолов 132 ПДК. На территориях, примыкающих к станице Холмская и посёлку Ахтырский, где интенсивно ведутся нефтеразра-ботки, наблюдалась та же картина. В среднем 70 % проб содержали нефтепродукты и фенолы с превышением ПДК в 1,5-10 раз. В 15 % проб почв и донных отложений количество исследуемых соединений составляло от нескольких сотен до тысячи ПДК. Причём, если почвы были загрязнены в основном в зоне нефтепромысла, то загрязнения донных отложений наблюдались практически во всех исследуемых водоёмах.

Превышение содержания нефтепродуктов в поверхностных водах равное 0,36 мг/л (ПДК=0,3 мг/л) было установлено лишь в одной пробе воды из р. Абин в районе города. Грунтовые воды нефтепродуктов, фенолов и тяжелых металлов в концентрациях, превышающих ПДК не содержали. Загрязнение нефтепродуктами (0,3 мг/л) артезианских вод (глубина залегания

18-255 м) было установлено только в одной скважине на территории нефтераз-работки пос. Ахтарский, оно было постоянно за все годы наблюдений.

Глава 3 посвящена изучению влияния нефтяных загрязнений на экосистемы Абинского района. При этом применялось математическое моделирование распространения нефтяных загрязнений.

В модели вынужденного диффузионного переноса в водоносных горизонтах использовалось уравнение вынужденной диффузии:

6С] _ д2С 8С, . „ ,

—= А —г -у—Л,С, + Л„, , + а,

Ы ■ дхг дх ' ' \ (1)

где Б; - коэффициент диффузии ьго компонента, С, -концентрация, Л: = Х1Н + ЛТ[ - комплексный кинетический коэффициент, учитывающий нестабильность НЗ и возможный его выход из системы; ХР1-ь /чч - константа

распада НЗ, Я,а - коэффициент структурного обмена.

Применялись также и другие модели для оценки НЗ в воде (Кот Ю.В., Тивков А.М. и др.).

Проводился расчет скорости движения контура загрязненных вод (при большой глубине залегания грунтовых вод на величину и время инфильтрации загрязненных вод оказывают влияние процессы в системе вода

— порода — газ — живое вещество: выщелачивание и растворение пород и минералов, сорбция, диффузия, выпадение осадка, выделение газа). При расчетах определялась максимально возможная скорость и расстояние продвижения контура загрязнения за 1 год (365 сут):

где Ясв - приведенный радиус источника загрязнения, м; ()св - расход сточных, загрязненных вод на инфильтрацию, м3/сут; т3 - толщина горизонта грунтовых вод, м; п3 - пористость водовмещающих пород; Уе! - скорость грунтового потока, м/сут (Уе/ = 1ук3, где її - уклон потока подземных вод, к3 — коэффициент фильтрации водоносного горизонта).

(2)

Расход потока загрязненных вод (О) рассчитывали по формуле Дарси:

где Т*1 - площадь поперечного сечения потока загрязненных вод, м2; Р = 5 • т, где Б- ширина потока.

Проводилась также оценка динамики и деструкции нефтяного пятна. Мгновенный выброс НЗ в точке (х0,у0,г0) можно оценить как

где V - средняя поверхностная плотность ьй фракции НЗ; х0,уо,г0 - координаты источника загрязнений; 8(х) - дельта-функция Дирака. Поверхностная плотность ьй фракции НЗ:

где V - средняя поверхностная плотность Ьй фракции НЗ; 8; - область, первоначально покрытая НЗ (нефтяное пятно).

Для систематизации результатов проведенных исследований был использован программный комплекс «ЭКО» (Тивков А.М.), предназначенный для ведения компьютерного мониторинга на определенной территории, оценки влияния НЗ на экологическую обстановку и здоровье населения и выбора наиболее опасных объектов для проведения природоохранных мероприятий. Составлена база данных и проведена сравнительная оценка НЗ, находящихся на территории Абинского района. Вычисленные уровни вредного влияния для всех мест нахождения НЗ Абинского района были сопоставлены с данными, полученными сотрудниками ЗАО «Гея» в 2005 г. Результаты сравнения для районов Западно-Кубанского прогиба хорошо коррелируют и могут служить основой для разработки стратегии и тактики (очередности) ликвидации разливов нефти.

0 = К-1-Р

Сі(х,у,г) = V 6(х-х0) 5(у-у0) 8(г-20),

(4)

(5)

Измерения на территории нефтеразработок включали химический анализ пластовых вод разных скважин Бугундырского резервуарного парка, предоставленных специалистами ООО «РН-Краснодарнефтегаз».

Таблица 1 - Компонентный состав сточных вод Бугундырского участка закачки пластовых вод (ЗПВ «Вугундырь»)________________________________

Показатели качества Норма по ГОСТ Участок №1 (Скв. №110) Участок №2 (Скв.№№ 648,652, 656, 659) Участок №3 (Скв. №№ 310, 335)

Удельный вес 1, 01 г/см3 1,01 1,02 1,02

Общая щелочность 64,40 мг-экв/л 64,40 61,44 158,41

С1 350 мг/дм3 86,33 405,8 6740

НС03 не нормир. 48,42 мг/дм3 142 мг/дм3 3020 мг/дм3

СОз2' не нормир. 31 мг/дм3 560 мг/дм3 260 мг/дм3

8042' 500 мг/дм3 0,32 1,6 5,3

Са2+ 180 мг/дм3 10,2 55,0 36,1

40 мг/дм3 5,4 457 1800

№++К+ 200+50 мг/дм3 143,09 180,5 63,2

Общая минерализация 1000 мг/дм3 603 1006 15679

Мех. примеси 50 мг/дм 50 50 50

Ре3+ 0,3 мг/дм3 2,4 1,07 2,4

Нефть 0,3 мг/дм3 50 50 50

I 0,074 мг/дм3 - 38,7 -

Н28 не допускается - 2,4 мг/л -

В результате проведенных исследований было обнаружено различие химического состава сточных вод различных участков нефтедобычи (таблица 1). Сточные воды характеризуются высокой минерализацией, что и определяет их воздействие на окружающую среду и обуславливает возможность практического использования при электрокоагуляционной очистке.

Расчет общего (ОПЗВ) и индикаторного показателя загрязненности вод (по методу Евдокимова-Ибрагимова) подтвердил значительную техногенную нагрузку на пластовые воды со стороны возвратных пластовых вод Участков №2 и №3 ЗПВ «Бугундырь» (таблица 2).

Таблица 2 - Значения ОПЗВ и энтропии возвратных пластовых вод Участков №№1-3 Бугундырского участка закачки пластовых вод_________________

Показатель Участок №1 Участок №2 Участок №3

ОПЗВ, ед. ПДК 1,5 2,9 12,1

АНобш, % 22,8 128,5 1306,4

А11;; Ц - ‘М. 25,8 47,0 16,2

ДНтехн., % 43,8 69,1 2013,0

Глава 4 посвящена анализу перспектив использования электрокоа-гуляционного метода очистки возвратных пластовых вод.

Исследования последних лет показали, что закачка сточных вод, содержащих нефть, приводит к снижению проницаемости призабойной зоны и перед закачкой их необходимо очищать. Нами для этих целей был использован электрокоагуляционный метод очистки НЗ.

Модельные системы возвратных пластовых вод готовили добавлением нефти из месторождений зоны исследования. Пластовые воды, полученные от ООО «PH - Краснодарнефтегаз», использовали с параметрами, удовлетворяющими условиям эксперимента, варьируя при необходимости концентрацию нефти в пределах 0,8 - 2,5 %.

Электрокоагуляционная очистка осуществлялась на лабораторной экспериментальной установке, схема которой показана на рис. 3.

Рабочая камера электрокоагулятора (электрохимическая ячейка) представляет собой полиэтиленовую емкость со съемной крышкой. В её корпус вмонтированы электродержатели и токовыводы, а также патрубок для сообщения с циркуляционным насосом посредством полихлорвинило-вого шланга. Во внутренней части ячейки фиксируются шесть железных электродов, механически закрепленных в электродержателях, направленных навстречу и параллельных друг другу. Насос обеспечивает протекание очищаемой жидкости в рабочем направлении. Источником переменного

тока служил лабораторный блок питания НУ15050; в цепь включены также амперметр и вольтметр.

В основе процесса электрокоагуляционной очистки сточных пластовых вод лежит сорбция органических соединений на золе свежеосажден-ной гидроокиси железа(Ш), образующейся в результате анодного растворения железного электрода в щелочной среде. Применение железных электродов вызвано невозможностью использования ранее применяемых для тех же целей алюминиевых электродов в связи с высокой скоростью химического растворения алюминия в щелочи. Стальные электроды в щелочных растворах относительно устойчивы (Е° = -0,05В) и корродируют очень медленно.

£ г

1 - резервуар подачи загрязненной воды; 2 - насос; 3 - электрохимическая ячейка (электрокоагулятор); 4 - амперметр; 5 - вольтметр; 6 - источник тока Рисунок 3 - Схема установки для электрокоагуляционной <

і очистки

Осадок Ре(ОН)з, содержащий адсорбированные нефтяные фракции («кек»), по окончанию процесса электролиза количественно собирали путем слива раствора на фильтр воронки Шотта под вакуумом. Далее осадок прокаливали в муфельной печи при температуре 600 °С и взвешивали. Определение массы захваченных нефтепродуктов производилось на основе

разности между массой «кека» и массой осадка Ре(ОН)3, рассчитанной исходя из оставшегося после прокаливания Ре20з.

Эффективность процесса очистки (ц) определяли по формуле:

- ,- —г*100%= т-^ - пАГ-(-0Н1) * 1 оо%

Ц= 111(1^(011),) т(Ре(011),) > (6)

где: торгч. - масса органической части, адсорбировавшейся на Ре(ОН)3 и т^е(ОН),) _ масса ре(0Н)3, г.

Нахождение оптимального значения силы тока в ходе анодного растворения железа осуществлялось путем определения зависимости силы тока от подаваемого напряжения и последующего анализа полученных закономерностей.

Было изучено влияние импульсного тока при скважности (отношении периода к длительности импульса) 2 (рис. 4А) в интервале плотностей тока 0,6 -1,5 А/дм2 на процесс очистки вод электрокоагуляцией. Длительность импульсов при этом составляла Т/2 и Т/4; соотношение амплитуд катодного и анодного тока в импульсе поддерживалось соответственно 1:1,1:2 и 1:4.

Установлено, что данное преобразование переменного тока (анодное выпрямление), позволяет активно влиять на процесс очистки вод. Увеличение амплитуды положительного (анодного) импульса приводит к значительному увеличению скорости растворения железного анода, в частности, при плотности тока 1,0 А/дм2 увеличение амплитуды анодного импульса в 4 раза приводит к изменению массы анода, перешедшей в раствор, в 6 раз. При этом наблюдается увеличение массы коагулирующего осадка.

Увеличение скважности приводит к снижению величины растворения железного анода. Так уже при скважности 5 (рис. 4Б) увеличение средней плотности тока приводит к снижению скорости растворения. Это может быть объяснено тем, что увеличение скважности при одной и той же средней плотности тока приводит к резкому увеличению амплитудной плотности тока и, как следствие, смещению потенциала электрода в область более отрицательных значений. В результате происходит снижение

растворения железа и перераспределение тока на сопряженные процессы, в частности, анодное выделение кислорода.

Рисунок 4 - Зависимость образования осадка гидроксида железа от средней

С увеличением соотношения амплитуд анодного тока к катодному и уменьшением длительности импульсов катодный потенциал смещается в область менее отрицательных, а анодный - в область более положительных значений. Так, при соотношении 1а/1к=4, длительности импульсов Т/2 и средней плотности тока 1,0 А/дм2 значение катодного потенциала равно -

0,5В, анодного +1,12В. В случае уменьшения длительности импульсов до Т/4 при тех же значениях плотности тока катодный потенциал более отрицателен (-0,63 В), анодный - более положителен (+1,3 В). Такой перепад потенциалов при изменении параметров питающего электрокоагулятор тока позволяет активно управлять процессом электрокоагуляции. При использовании тока промышленной частоты электрокоагуляция значительно эффективнее по сравнению с постоянным током. Накопление ионов железа в растворе, увеличение массы осадка, образовавшегося в ходе процесса, а также повышенная скорость растворения анода указывают, что процесс в данном случае протекает быстрее и при этом достигается большая степень очистки загрязненной воды. Следовательно, применение импульсного тока

0,35

0,25

0..... *..........

0,4 0,6

0,8

1,2 1,4 1,6

0,5 0,7 0,9 1Д

1,3 1,5 1,7 1,9

А/дм'

А/дм3

плотности тока

позволяет существенно интенсифицировать процесс электрокоагуляции: снизить затраты электроэнергии, уменьшить нецелевой расход металла анода, а также количественно и качественно влиять на состав образующегося осадка.

Экспериментальные значения электрохимической эффективности процесса анодного растворения железа (1) и степени захвата нефтепродуктов (2) при элекгрокоагуляционной очистке сточных пластовых вод показаны на рис. 5.

Из данных рис. 5 видно, что с увеличением доли нефти в очищаемой системе эффективность электрохимического процесса анодного растворения железа падает, что связано с пассивацией поверхности электродов гидрофобной непроводящей пленкой нефти. В то же время, несмотря на снижение количества образующегося в единицу времени гидроксида железа, относительное количество захваченного им органического материала растет.

120

110

100

а?

| | : £

1 ♦растрср с

1 1.3

концентрация нефтям

( 50 -

..! ад

2,5 ♦раствор

Рисунок 5 - Зависимость электрохимической эффективности процесса анодного растворения железа и эффективности очистки сточных пластовых вод от концентрации нефти

Рекомендуемое содержание нефти в подающихся на очистку сточных пластовых водах, имеющих щелочную реакцию среды, должно быть не выше 1,2-1,6 %, так как при таких концентрациях возрастание эффективности процесса очистки существенно превосходит потери электроэнергии от уменьшения эффективности процесса анодного растворения элек-

тродов. Общая эффективность очистки в концентрационных пределах 0-1,6 % достаточно высока и составляет 95-99 %.

Из рис. 6 видно, что увеличение плотности тока в диапазоне напряжений 35 - 50 В замедляется, и это может быть связано с изменением кинетики сорбционно-десорбционных процессов с участием различных компонентов нефтесодержащей системы.

Таким образом, оптимальное значение плотности тока находится в интервале 1 = 3,5 - 5 мА/см2 и достигается в диапазоне подаваемого напряжения 25 - 35 В.

г < г

ж о и л о

X и о с с

0 1...... :....... ............. ■ : ;

0 10 20 30 40 50

напряжение, В

Рисунок 6 - Зависимость плотности тока от подаваемого напряжения при электрокоагуляционной очистке сточных пластовых вод

При данных параметрах степень увеличения скорости процесса растворения железа выше степени роста энергетических затрат, связанных с повышением напряжения. При более низких значениях напряжения скорость процесса сравнительно мала, а при более высоких ее повышение не компенсирует величину энергетических затрат.

На рис. 7-8 приведены результаты очистки реальных пластовых вод участка 1 закачки пластовых вод (ЗПВ) «Бугундырь».

Видно, что, как и в случае с модельными сточными пластовыми водами, эффективность процессов очистки замедляется с увеличением доли нефти в очищаемой системе.

Рисунок 7 - Эффективность процесса Рисунок 8 - Эффективность очист-анодного растворения железа ки пластовых вод

В то же время относительное количество захваченного материала для всех систем растет и, следовательно, содержание НЗ в исследуемых системах снижается, что указывает на возможность практического применения электрокоагуляционного метода для очистки промышленных вод, загрязненных углеводородами нефти.

Остаточное количество углеводородов в исследуемых системах, измеренное после очистки, составляло 0,5-1,0 % от первоначального, что свидетельствует о достаточно высокой эффективности процесса.

На рис. 9-10 приведены результаты очистки реальных сточных пластовых вод участка З.Как видно из приведенных рисунков, закономерности изменения эффективности анодного растворения и очистки сточных пластовых вод аналогичны участку 1, несмотря на то, что загрязнение исходной воды было на порядок выше.

концентрация нефти, %

концентрация неф тиД

Рисунок 9 - Эффективность анодного рас- Рисунок 10 - Эффективность очистки пла-творения железа стовых вод

Таким образом, метод электрокоагуляционной очистки достаточно эффективен на практике при доочистке различных видов вод, загрязненных нефтепродуктами, и сточных пластовых вод нефтяных месторождений Краснодарского края.

ВЫВОДЫ

1. Проведена комплексная оценка воздействия нефтяных загрязнений на окружающую среду территорий нефтяных месторождений Абинского района Краснодарского края. Обнаружено, что с 2005 по 2010 гг. площадь загрязнений увеличилась в 2 раза; в отдельных местах селитебной зоны содержание нефтяных загрязнений составляет до 1000 ПДК.

2. Проведена статистическая обработка данных мониторинга нефтяных загрязнений с использованием программного комплекса «ЭКО»; составлена база данных загрязнений и осуществлена их сравнительная оценка, что дает возможность разработать стратегию и тактику (очередность) ликвидации разливов нефти.

3. Расчет общего и индикаторного показателя загрязненности вод (по методу Евдокимова-Ибрагимова) позволил оценить экологическое со-

стояние подземных вод нефтяных месторождений Абинского района. Показано, что сточные пластовые воды участка №3 резервуарного парка «Бугундырь» в соответствии с полученными данными можно отнести к «грязным и очень грязным» (ОПЗВ=12,1 ед. ПДК).

4. Химический анализ пластовых вод различных скважин и сточных вод показал, что они характеризуются высокой и переменной минерализацией, главным образом за счет бикарбонат- и хлорид-анионов и катионов Са2+, М§2+, Ыа+, К+. Минерализация дает возможность практического использования этих вод для электрокоагуляционной очистки.

5. Показано, что применение электрохимического метода целесообразно при доочистке сточных вод нефтедобывающих производств; а применение импульсного тока позволяет существенно интенсифицировать процесс электрокоагуляции: снизить затраты электроэнергии, уменьшить нецелевой расход металла, а также количественно и качественно влиять на состав образующегося осадка.

6. Показано, что применение метода электрохимической коагуляции для доочистки сточных пластовых вод предприятий ООО «РН-Краснодарнефтегаз» понижает содержание нефтяных загрязнений до 0,51,0 % от первоначального, что свидетельствует о достаточно высоко эффективности процесса очистки и позволяет использовать этот метод в полупромышленных и промышленных масштабах.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Панюшкин, В.Т. Мониторинг нефтяных загрязнений территории Краснодарского края [Текст] / В.Т. Панюшкин, К.А. Шохина // Материалы IX Международного семинара по магнитному резонансу (спектроскопия, томография и экология). - Ростов-на-Дону, 2008. - С. 174.

2. Шохина, К.А. Реактор для переработки нефтяных загрязнений [Текст] / К.А. Шохина, В.Ю. Фролов, В.Т. Панюшкин // Материалы докла-

дов XV Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2008». - Москва: ВМиК МГУ, 2008. - С. 423.

3. Фролов, В.Ю. Реактор для переработки нефтевод и нефтешламов [Текст] / В.Ю. Фролов, В.Т. Панюшкин, К.А. Шохина // Тезисы докладов XVIII Российской молодежной научно-практической конференции «Проблемы теоретической и экспериментальной химии». - Екатеринбург: Урал, ун-т, 2008.-С. 257-258.

4. Шохина, К.А. Моделирование электрокоагуляционной очистки нефтевод на трехэлектродной ячейке [Текст] / К.А. Шохина, А.И. Офлиди, М.А. Назаренко и др. // Материалы V Международной конференции по новым технологиям и приложениям современных физико-химических методов для изучения окружающей среды. - Ростов-на-Дону, 2009. - С.276-277.

5. Шохина, К.А. Электрокоагуляционная очистка нефтяных загрязнений [Текст] / К.А. Шохина, В.Т. Панюшкин, А.И. Офлиди и др. // Сборник научных трудов по материалам международной научно-практической конференции «Современные направления теоретических и прикладных исследований». Том 5. Технические науки. - Одесса: Черноморье, 2009. - С. 65-67.

6. Буков, Н.Н. Мониторинг загрязнений на объектах нефтегазового комплекса Краснодарского края [Текст] / Н.Н. Буков, В.Т. Панюшкин, К.А. Шохина // Материалы V Международной конференции по новым технологиям и приложениям современных физико-химических методов для изучения окружающей среды. - Ростов-на-Дону, 2009. - С. 278-279.

7. Панюшкин, В.Т. Отработка методов мониторинга территорий на примере Краснодарского края [Текст] / В.Т. Панюшкин, К.А. Шохина // Экология и промышленность России. - 2009. - № 7. - С. 49-51.

8. Шохина, К.А. Сравнительная характеристика методов оценки загрязнения рек Дона и Кубани [Текст] / К.А. Шохина, Л.А. Костылева, Т.Ю. Пескова // Материалы X Международного семинара по магнитному резонансу (спектроскопия, томография и экология). - Ростов-на-Дону, 2010. - С. 202.

{

9. Шохина, К.А. Анализ некоторых технологических факторов электрокоагуляционного метода очистки нефтешламов и нефтевод [Текст] / К.А. Шохина, А.И. Офлиди, М.А. Назаренко и др. // Экология и промышленность России. - 2010. - № 2. - С. 17-19.

10. Максимович, В.Г. Нефтяные загрязнения Абинского района Краснодарского края [Текст] / В.Г. Максимович, К.В. Ларионов, К.А. Шохина и др. // Экология и промышленность России - 2011. - № 6. - С. 57-59.

Шохина Ксения Александровна

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 21.11.2011. Формат 60 х 84 16.

Бум. тип. № 1. Печать трафаретная. Тираж 100 экз. Заказ № 913.

350040 г. Краснодар, ул. Ставропольская, 149 Центр «Универсервис», тел. 2199-551

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата технических наук, Шохина, Ксения Александровна, Краснодар

61 12-5/1320

Кубанский государственный университет

На правах рукописи ^¿¿о^и^сь

Шохина Ксения Александровна

Специальность: 03.02.08 - Экология (в нефтегазовой отрасли)

(технические науки)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д-р хим. наук, профессор Н.Н. Буков

Краснодар - 2011

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение....................................................................................................................................4

Глава 1 Экологические проблемы газонефтеносных территорий

Северного Кавказа............................................................................................................10

1.1 Формирование на территориях Азово-Кубанской нефтегазоносной области природно-техногенных экосистем 10

1.2 Последствия техногенного воздействия нефтедобывающей отрасли на окружающую среду............................................................................14

1.2.1 Воздействие на атмосферный воздух............................................................15

1.2.2 Воздействие на почву..................................................................................................16

1.2.3 Воздействие на водные ресурсы........................................................................17

1.2.4 Влияние на флору и фауну......................................................................................19

1.2.5 Влияние на здоровье населения..........................................................................20

1.3 Методические приемы оценки экологического состояния поверхностных и подземных вод на территориях нефтяных месторождений....................................................................................................................22

1.4 К проблеме нефтяных загрязнений территорий Краснодарского края..........................................................................................................27

1.5 К проблеме утилизации нефтешламов............................................................31

1.6 Методы переработки нефтешламов..................................................................36

1.6.1 Физико-химические методы очистки нефтяных сточных вод 42

1.6.2 Химическая очистка нефтяных сточных вод..........................................45

1.6.3 Биологическая очистка нефтяных сточных вод....................................46

Глава 2 Мониторинг загрязнений на территории Абинского района

Краснодарского края......................................................................................................................48

2.1 Описание геоэкологических особенностей Абинского

района..........................................................................................................................................48

2.2 Определение концентрации загрязняющих веществ........................51

2.2.1 Определение концентрации нефтяных загрязнений........................51

2.2.2 Определение концентрации микроэлементов и тяжелых металлов....................................................................................................................................53

2.3 Результаты анализа загрязнений природно-техногенных экосистем Абинского района..................................................................................54

Глава 3 Комплексная оценка влияния нефтяных загрязнений на

экосистемы Абинского района....................................... 60

3.1 Математическое моделирование распространения нефтяных загрязнений............................................................... 60

3.1.1 Расчет скорости изменения концентрации загрязнений....... 60

3.1.2 Расчет скорости движения контура загрязненных вод......... 61

3.1.3 Оценка динамики и деструкции нефтяного пятна............... 62

3.2 Пример расчета движения аварийного розлива нефтепродуктов......................................................... 63

3.3 Составление базы данных обнаруженных нефтяных загрязнений Абинского района...................................... 64

3.4 Изучение химического состава пластовых вод Бугундырского резервуарного парка (ЗПВ «Бугундырь»)..... 67

3.5 Совместное использование данных натурных наблюдений и математического моделирования для оценки состояния окружающей среды Абинского района Краснодарского края 78

Глава 4 Электрокоагуляционный метод очистки нефтесодержащих

сточных пластовых вод................................................. 83

4.1 Приготовление модельных образцов пластовых вод ЗПВ «Бугундырь»............................................................. 84

4.2 Электрокоагуляционная очистка.................................... 86

4.3 Теоретический расчет параметров работы электрокоагуляционной установки................................. 90

4.4 Определение выхода по току при растворении железных электродов............................................................... 92

4.5 Методика выделения осадка в процессе очистки................ 93

4.6 Методика определения эффективности очистки................. 93

4.7 Оптимизация силы тока при электрокоагуляционной

очистке.................................................................... 94

4.7.1 Сравнение применения импульсного и постоянного тока в

электрокоагуляционной установке................................. 94

4.8 Результаты электрокоагуляционных измерений и их

обсуждение............................................................... 96

Выводы................................................................... 112

Список использованных источников............................... 114

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы Как известно [1-3], нефтепромысловое освоение обуславливает существенное воздействие на природные компоненты и комплексы, приводя к техногенным изменениям природной среды и формированию на территориях месторождений и сопредельных с ними территориях особых природно-техногенных экосистем. Последние исследования Пиков-ского Ю.И., Солнцевой Н.П. и др. авторов [2, 4-7], основанные на ландшафтных, геоэкологических и геохимических подходах, позволили расширить и углубить представления о нефтепромысловом техногенезе, его влиянии на трансформацию природной среды. Специфическое воздействие нефтепромыслов выражается в поступлении аварийных нефти и соленых вод, поверхностного и грунтового стоков, содержащих соли и нефтепродукты, с площадок технологических объектов, атмосферных загрязнений (с высокой концентрацией углеводородов) в окружающие наземные экосистемы [6].

Рассмотрение вопросов формирования и функционирования природно-техногенных экосистем предполагает определение внешних движущих сил (направления техногенных потоков вещества), изменения биотопов, ответных реакций биотических компонентов. Привнесенные вещества или энергия, антропогенные нарушения могут остановить, изменить или повернуть вспять трансформацию экосистемы. Если влияние внешних факторов сильнее влияния внутренних процессов, то экосистема не в состоянии стабилизироваться [3].

Техногенные факторы могут быть классифицированы по причинам появления на: предусмотренные технологией добычи природного ресурса и аварийные [2]. Техногенные факторы, обусловленные современной технологией добычи нефти на Кубани, это, главным образом - утечки техногенной жидкости с площадок нефтепромысловых объектов (кустов скважин, дожим-ной насосной станции, установки первичной переработки нефти, закачки пластовой воды и т.п.). Поступление техногенной жидкости с поверхностным и грунтовым стоком в природные водотоки, и загрязнение подземных вод

вследствие негерметичности скважин и негерметичности в целом процесса добычи нефти приводят к последующему поступлению загрязнений в наземные водотоки и экосистемы.

Аварийные отказы трубопроводов (нефтяных и водных) также приводят к поступлению нефтесодержащей и солесодержащей жидкости в наземные экосистемы, загрязнению поверхностных, почвенных и грунтовых вод [6, 7]. Первичные техногенные потоки могут быть гомогенные (нефтяные или соленые воды) или гетерогенные (нефте-, солесодержащие эмульсии) [4]. Поступление их в окружающие наземные экосистемы приводит к взаимодействию природных и техногенных потоков вещества в грунтах, почвах и поверхностных водах. В соответствии со свойствами первичных загрязнителей и принимающих биотопов происходят их дифференциация, пространственно-временное распределение поллютантов в наземных экосистемах (водорастворимые соли преимущественно мигрируют в водотоках, нефтепродукты -преимущественно аккумулируются на почве, атмосферные загрязнения рассеиваются). Поэтому природно-техногенные экосистемы, возникающие при нефтяном загрязнении, могут существовать при разовом (аварийном) поступлении техногенных соединений сравнительно краткий период времени.

Миграция с площадок нефтепромысловых объектов и последующая аккумуляция нефтепродуктов из техногенных и природно-техногенных потоков веществ (поверхностного и грунтового стока) приводят к формированию в непосредственной близости от площадок нефтепромысловых объектов локальных природно-техногенных экосистем, которые характеризуются высокой концентрацией техногенной органики [8]. Эвтрофикация техногенной органикой приводит к активизации нефтеокисляющих микроорганизмов. Редуценты разрушают нефтепродукты, что приводит к тому, что в целом биотоп становится ещё более токсичным для окружающих наземных экосистем. Кроме того, ликвидация последствий аварийного разлива углеводородов из нефтепроводов заключается в максимально полном сборе жидких фракций и загрязненных грунтов, т.е. сопровождается уничтожением биогеоценотического покрова.

Техногенный галогенез [9] считается одним из ведущих, а возможно, и основным геохимическим процессом на территории эксплуатируемых нефтяных месторождений. Значительное количество атмосферных осадков обеспечивает промывной режим почв и транзит солей через наземные экосистемы. При аварии трубопроводов, содержащих промысловые соленые воды, происходит полная гибель растительности, только затем (в течение 3-4 лет) развивается первоначальное сообщество растений. В результате постоянного транзита солесо-держащих вод через поймы рек и их притоков достаточно часто наблюдается засоление пойменных почв, образование плавней. Древесная растительность здесь находится в крайне неблагоприятных условиях, часто даже погибает.

Потери нефти, содержащиеся в отходах, по экспертным оценкам [10] составляют примерно 3% от ее годовой добычи. При годовой добычи нефти в РФ на уровне 470 млн. т, ежегодный объем образования нефтяных отходов может достигнуть до 14 млн. т. Угрожающий рост накапливаемых ежегодно опасных нефтеотходов при отсутствии необходимых масштабов их утилизации приводит к изъятию земельных ресурсов на длительные сроки, а, что более важно - ухудшению состояния окружающей среды.

Наиболее широко распространенными нефтяными загрязнителями [2, 411] сточных вод являются нефтепродукты - группа углеводородов нефти, мазута, керосина, масел и их примесей, которые вследствие их высокой токсичности принадлежат к числу наиболее опасных загрязнителей окружающей среды. Существующие в настоящее время способы очистки либо дорогостоящи, либо не обеспечивают достаточной степени очистки и, как правило, сопровождаются безвозвратной потерей ценного углеводородного сырья. В то же время нефтеотходы относятся к вторичным материальным ресурсам и по своему химическому составу и полезным свойствам могут быть использованы вместо первичного сырья. Результаты анализа сложившейся практики обращения с нефтеотходами позволяют констатировать, что в стране не существует комплексного решения проблемы утилизации нефтеотходов, ликвидации и рекультивации мест их размещения [7-14].

Очистка нефтесодержащих сточных вод и нефтешламов различными методами рассмотрена в работах Сейфулина Н.Р., Антипова В.А., Ратнера Н.В., Острикова В.В., Сейрулина Н.В., Дворчик С.Е., Жарова O.A., Казелина Я.А., Боковиковой Т.Н., Мазловой Е.А., Захарова C.JL, Темердашева З.А., Шпигуна O.A., Минакова В.В., Кривенко С.М., Никитиной Т.О., Степаненко C.B., Стахова Е.А. и многих других, однако, электрохимические методы слабо освещены в научной литературе.

В связи с этим, большой интерес исследователей [10-17] привлекает возможность использования для утилизации нефтесодержащих сточных вод и нефтешламов электрокоагуляционного метода.

В соответствии с целью исследований решались следующие задачи: -анализ загрязнений в местах разливов нефти на территории Абинского района Краснодарского края;

Для минимизации антропогенного воздействия со стороны нефтегазовой отрасли на живую природу проведены инженерно-технические исследования по конструированию реактора для коагуляционной очистки нефтеза-грязненных сточных пластовых вод. Доказана целесообразность использования железных электродов и изучены технологические режимы коагуляционной очистки (напряжение, плотность тока, скважность).

Основные положения, выносимые на защиту

3. Результаты экспериментальных исследований очистки сточных пластовых вод Бугундырского резервуарного парка ООО «РН-Краснодарнефтегаз» электрокоагуляционным методом. Практическая значимость и реализация По результатам проведенных нами исследований доказана технологическая целесообразность до-очистки нефтесодержащих сточных пластовых вод на примере резервуарного парка «Бугундырь» ООО «РН-Краснодарнефтегаз».

Принята к изготовлению опытно-промышленная установка электрокоа-гуляционной очистки сточных пластовых вод и других НЗ на базе ООО «РН-Краснодарнефтегаз».

Полученные результаты нашли отражение в рабочих документах Управления Федеральной службы по надзору в сфере природопользования (Росприроднадзор) по Краснодарскому краю и Республике Адыгея, а также

ООО «Современные технологии». Методологические разработки применяются в ФГБОУ «КубГУ» при обучении студентов, специализирующихся по направлениям подготовки 280700.62 - «Техносферная безопасность» и 280200.62 - «Защита окружающей среды».

Результаты исследований могут быть использованы для оценки предотвращенного экологического ущерба.

Апробация работы Основные теоретические положения и результаты проведенных исследований были доложены на XV Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2008», Москва, 2008; IX и X Международном семинаре по магнитному резонансу (спектроскопия, томография и экология), Ростов-на-Дону, 2008, 2010; XVIII Российской молодежной научно-практической конференции «Проблемы теоретической и экспериментальной химии», Екатеринбург, 2008; V Международной конференции по новым технологиям и приложениям современных физико-химических методов для изучения окружающей среды, Ростов-на-Дону, 2009; Международной научно-практической конференции «Современные направления теоретических и прикладных исследований», Одесса, 2009.

ГЛАВА 1 ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ГАЗОНЕФТЕНОСНЫХ ТЕРРИТОРИЙ СЕВЕРНОГО КАВКАЗА

1.1 Формирование на территориях Азово-Кубанской нефтегазоносной области природно-техногенных экосистем

Северный Кавказ как уникальный в природном отношении регион России особо нуждается в поддержании экологического равновесия окружающей среды. Для отдельных ландшафтов Северного Кавказа нарастание концентрации загрязняющих веществ является дополнительным фактором экологического риска. Результаты проведенных, как на региональном, так и на федеральном уровне исследований позволяют утверждать, что в последние годы в регионе возникла острая необходимость решения ряда актуальных природоохранных проблем, особенно в районах добычи, хранения и транспортировки нефти [11-14, 18, 19].

�

Информация о работе

Шохина, Ксения Александровна
кандидата технических наук
Краснодар, 2011
ВАК 03.02.08

Диссертация

Исследование влияния нефтяных загрязнений на экосистемы Абинского района Краснодарского края и разработка технологии очистки сточных вод нефтяных месторождений - тема диссертации по биологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы