Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Обоснование технологических схем восстановления качества грунтовых вод для охраны земель от техногенных загрязнений

ВАК РФ 06.01.02, Мелиорация, рекультивация и охрана земель

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Тесленко, Роман Владимирович

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ВОССТАНОВЛЕНИЯ КАЧЕСТВА ЗАГРЯЗНЕННЫХ ЗЕМЕЛЬ И ГРУНТОВЫХ ВОД НА СОВРЕМЕННОМ ЭТАПЕ.

1.1. Способы определения положения и размеров зоны загрязнения в водоносных горизонтах.

1.2. Анализ существующих приемов ликвидации растворенной фазы загрязняющего вещества.

1.3. Оценка способов ликвидации остаточных загрязнений почво-грунтов, насыщенных грунтовыми водами.

1.3.1. Биомелиорация по восстановлению плодородия почв и грунтовых вод.

1.3.2. Ликвидация остаточных загрязнений горизонта грунтовых вод биологической деструкцией загрязняющего вещества.

Выводы по главе.

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ЗОН ЗАГРЯЗНЕНИЯ ЗЕМЕЛЬ И ГРУНТОВЫХ ВОД НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА ВЫХОДНЫХ КРИВЫХ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ.

2.1. Теоретический анализ формирования выходных кривых концентраций при откачке загрязненных грунтовых вод (на примере нефтяного загрязнения).

2.2. Теоретический анализ выходных кривых концентраций с целью распознавания зон загрязнения земель и грунтовых вод.

Выводы по главе.

3. РАЗРАБОТКА ИММИТАЦИОННО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЕСТЕСТВЕННЫХ УСЛОВИЙ ФОРМИРОВАНИЯ ГРУНТОВЫХ ВОД.

3.1. Структурный анализ имитационной системы "Качество грунтовых вод"

3.2. Разработка математических моделей емкости "Водоносный горизонт"

3.2.1. Создание модели движения грунтовых вод.

3.2.2. Создание модели разложения загрязняющего вещества.

3.3 Обоснование модели развития микрофлоры.

Выводы по главе.

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ОЧИСТКИ ЗЕМЕЛЬ, ЗАГРЯЗНЕННЫХ НЕФТЕПРОДУКТАМИ И ФОРМИРОВАНИЕ ЗЕМЕЛЬНО-ОХРАННЫХ

СИСТЕМ.

4Л. Этапы технологии очистки земель, загрязненных нефтепродуктами.

4.1.1. Предварительная оценка масштабов загрязнения земель и формирование земельно-охранной системы.

4.1.2. Локализация, удаления жидкой фазы нефтяного загрязнения и уточнение положения зоны загрязнения земель.

4.1.3. Ликвидация нефтяного загрязнения в верхнем слое почвы.

4.1.4. Ликвидация остаточного нефтяного загрязнения почво-грунтов подповерхностного слоя.

4.2. Обоснование и разработка технологических схем восстановления качества загрязненных грунтовых вод.

4.2.1. Анализ основных технологических схем восстановления качества загрязненных грунтовых вод.

4.2.2. Разработка технологической схемы восстановления качества загрязненных грунтовых вод.

4.2.3. Сравнительная оценка результатов моделирования по восстановлению качества грунтовых вод с зарубежными аналогами.

4.3. Формирование земельно-охранной системы.

Выводы по главе.

5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ВОССТАНОВЛЕНИЯ КАЧЕСТВА ГРУНТОВЫХ ВОД, ЗАГРЯЗНЕННЫХ НЕФТЕПРОДУКТАМИ.

5.1. Характеристика объектов исследований.,.

5.2. Методика проведения натурных исследований.

5.3. Исходные данные исследований.

5.4. Статистическая обработка результатов.

5.5. Результаты исследований.

5.6. Сравнение результатов теоретических и экспериментальных исследований.

5.7. Экономическая эффективность работ по ликвидации остаточного загрязнения земель и грунтовых вод.

Выводы по главе.

ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВУ.

ВЫВОДЫ.

Введение Диссертация по сельскому хозяйству, на тему "Обоснование технологических схем восстановления качества грунтовых вод для охраны земель от техногенных загрязнений"

Актуальность работы. Проблема охраны и восстановления качества окружающей среды в настоящий момент времени является одной из важнейших решаемых в круге задач направленных на достижение целей устойчивого развития общества.

В связи с бурным развитием нефтяной, химической промышленности и интенсификации сельскохозяйственного производства происходит загрязнение земель в результате аварийных или неконтролируемых утечек при производстве, транспортировке, применении, хранении и утилизации веществ, оказывающих отрицательное воздействие на окружающую среду. Среди прочих загрязняющих земли веществ можно выделить органическую группу, которая представлена нефтью, нефтепродуктами (углеводородами), сельскохозяйственными ядохимикатами (пестициды, гербициды и др.), продуктами химических производств.

По данным докладов Минприроды РФ и Краснодарского краевого комитета по охране окружающей природной среды проблема загрязнения земель, нефтепродуктами и пестицидами по России в целом и в Краснодарском крае в частности стоят в ряду 10 наиболее опасных проблем загрязнения окружающей среды. Выявлен ряд объектов, вызывающих наибольшую опасность.

Например, загрязнение земель и фунтовых вод на месте бывшей дислокации военной авиационной базы около г.Энгельса Волгоградской области. Здесь площадь загрязнения земель керосином по приблизительным подсчетам составила 140 га, в которой находится около 6000 тонн горючего. Отрицательное воздействие разлитого горючего только на сегодняшний день повлекло полную гибель садов на площади 50 га и мутационным явлениям у растительности на остальной территории разлива.

В Краснодарском крае, зафиксирован аналогичный случай на месте бывшего расположения военной авиабазы на Ейской косе вблизи Азовского моря. Привлекает особое внимание проблемы трубопроводного транспорта нефти и газа, связанный со строительством и интенсивной эксплуатацией трубопроводов как по территории Краснодарского края, так и по всей России, как потенциальный источник загрязнения земельных и водных ресурсов.

При проникновении загрязняющих веществ в гидролитосферу остается актуальным вопрос определения формы, размеров и положения зоны загрязнения почвенного профиля и грунтовых вод загрязняющим веществом. Процесс распознавания размеров и положения зон загрязнения должен предшествовать проектированию мероприятий по ликвидации загрязняющих веществ. В ходе распознавания размеров и положения зоны загрязнения делается вывод о целесообразности проведения мероприятий по ликвидации загрязняющих веществ. По данным Лукьянкова, 1998 в России в данном вопросе наблюдается отставание от уровня зарубежных стран [58].

При проникновении техногенного загрязнения в почво-грунт и далее в грунтовые воды часть загрязняющего вещества сорбируется почвогрунтом, а часть собирается на зеркале грунтовых вод. В связи с тем, что грунтовые воды подвергаются сезонным калебаниям, то в период поднятия их уровня происходит повторное загрязнения верхних горизонтов почво-грунта.

Современные технологии ликвидации загрязнений грунтовых вод сводятся в основном к локализации, извлечению и утилизации растворенной (жидкой) фазы загрязняющих веществ. Проблема же ликвидации остаточных загрязнений почв, объем которых в отдельных случаях может достигать до 40% от общего количества загрязняющего земли вещества, решается путем проведения биологической рекультивации. Однако основным недостатком таких технологий является проведение восстановительной рекультивации на специальных полигонах с предварительной экскавацией загрязненной почвы, либо восстанвление загрязненных земель на месте разлива нефтепродуктов, но лишь в поверхностном слое. Вопросы восстановления загрязненных грунтовых вод на глубинах более 1 м, с целью охраны земель остается не достаточно рассмотренными.

Таким образом, создание технологий восстановления загрязненных грунтовых вод с целью охраны земель от техногенных загрязнений представляется актуальной.

Целью настоящей работы является обоснование и разработка технологических схем восстановления качества фунтовых вод для проектирования рекультива-ционных и земельно-охранных систем.

Объектами исследований являются природно-техногенные комплексы, включающие динамику биологического и геохимического балансов, процессы взаимодействия природных и техногенных составляющих - земли подверженные техногенному зафязнению во взаимосвязи с изменением качества фунтовых вод под действием биологической деструкции зафязнений.

Областью исследований является: исследование технологий очистки земель, зафязненных нефтепродуктами и другими зафязняющими веществами, а также разработка методов расчета элементов земельно-охранных систем.

Задачами исследований в соответствии с поставленной целью являются:

- исследование зон загрязнения земель и грунтовых вод с целью определения их положения и размеров в плане на основе анализа выходных кривых концентраций загрязняющего вещества в технологической скважине при откачке загрязненных грунтовых вод;

- имитационно-тенологическое моделирование восстановления качества загрязненных грунтовых вод на основе биологической деструкции загрязняющего вещества с целью охраны земель;

- обоснование и разработка технологических схем восстановления качества загрязненных нефтепродуктами грунтовых вод в натурных условиях для охраны земель.

Методы, использованные в процессе исследований. Для решения поставленных задач использован комплексный метод, включающий:

1. Анализ результатов натурного применения систем восстановления качества загрязненных земель и грунтовых вод.

2. Системный анализ природно-техногенной системы восстановления качества загрязненных грунтовых вод, использование методологии имитационного моделирования ПТС, применение аппарата математического моделирования и компьютерного программирования.

3. Критический анализ моделирования.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Анализ выходных кривых концентраций загрязняющего вещества в технологической скважине при откачке загрязненных грунтовых вод для распознавания зон загрязнения земель и грунтовых вод, для проектирования технологических схем по восстановлению качества грунтовых вод.

2. Имитационно-технологическая модель восстановления качества грунтовых вод посредством деструкции загрязняющего вещества в натурных условиях для охраны земель подверженных техногенным загрязнениям.

3. Технологические схемы восстановления качества загрязненных грунтовых вод в натурных условиях для охраны земель подверженных техногенным загрязнениям.

Результатами исследований являются:

- Способ определения положения зон загрязнения земель и грунтовых вод на основе анализа выходных кривых концентраций загрязняющего вещества в технологической скважине при откачке загрязненных грунтовых вод;

- Имитационно-технологическая модель восстановления качества грунтовых вод посредством биологической деструкции загрязняющего вещества;

- Методы проектирования технологических схем восстановления качества загрязненных нефтепродуктами грунтовых вод для охраны земель от техногенных загрязнений.

Достоверность научных положений и выводов обосновывается:

- доказательством научных положений теоретическими выкладками, аналитическими расчетами и сопоставительным анализом конкретных примеров;

- достаточно высоким сходством результатов теоретических исследований с результатами теоретических исследований других авторов и натурных примеров.

Научная новизна и значение работы заключается в формировании научно обоснованных подходов, направленных на сохранение и восстановление экологического потенциала земель подверженных техногенным загрязнениям на основе разработки технологических схем восстановления качества грунтовых вод. Практическое значение работы заключается в следующем:

1. Разработан способ определения положения зон загрязнения земель и грунтовых вод на основе анализа выходных кривых концентраций загрязняющего вещества в технологической скважине при откачке загрязненных грунтовых вод;

2. Разработан комплекс компьютерного программного обеспечения, позволяющий автоматизировать рассмотрение процессов участвующих в биовосстановлении качества грунтовых вод;

3. Разработано компьютерная программа, позволяющая автоматизировать процесс проектирования технологических схем восстановления качества загрязненных грунтовых вод для охраны земель от техногенных нефтяных загрязнений.

Реализация работы. Результаты работы в части математического моделирования процессов распространения фронтов поршневого вытеснения с учетом микродисперсии применены для построения карты линий тока и движения загрязненных вод в зоне гидравлического питания Троицкого группового водозабора подземных вод. Также результаты работы применены при проектировании мероприятий по недопущению загрязнения подземных вод водами Троицкого йодного завода.

Разработан проект ликвидационно-монитороинговой системы по контролю за состоянием земель и грунтовых вод и восстановлению их качества в случае аварийных утечек нефти путем биологической деструкции в районе прохождения строящегося нефтепровода "Суходольная - Родионовская" Мало-Каменского месторождения 9 подземных вод. Проект включен в рабочий проект строительства нефтепровода и согласован с Департаментом Госсанэпиднадзора Министерства здравоохранения РФ.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались на научных конференциях Кубанского госафоуниверситета (КубГАУ) в 1996, 1997, 1998 и 1999 годах; на второй школе-семинаре молодых ученых Кубани (г. Краснодар) в 1997 г. В полном объеме работа обсуждалась на расширенном заседании кафедры гидравлики и сельскохозяйственного водоснабжения КубГАУ в 1999 г.

По результатам исследований была заявлена работа на Конкурс на лучшую научно-техническую разработку среди молодежи по проблемам топливно-энергетического комплекса "ТЭК-2000". По итогам Конкурса работа нафаждена третьей премией, отмечена благодарностью минисфа энергетики РФ.

Публикации. По результатам работы опубликовано 7 научных работ.

Объем работы. Диссертационная работа изложена на 161 сфанице машинописного текста, включая введение, пять глав, выводы, 54 рисунков, 10 таблиц, список литературы из 122 наименований, из них 5 зарубежных авторов, 5 приложений.

Работа выполнена в период обучения автора в очной аспирантуре на кафедре гидравлики и сельскохозяйственного водоснабжения Кубанского государственного афарного университета 1995 - 1998 гг.

Заключение Диссертация по теме "Мелиорация, рекультивация и охрана земель", Тесленко, Роман Владимирович

ВЫВОДЫ

1. Анализ отечественного и зарубежного опыта в области охраны земель и вод от техногенных загрязнений показал, что восстановление плодородия почв и качества грунтовых вод успешно решается путем проведения биомелиораций, исполь-зуюших биоразрушающий потенциал микроорганизмов как инструмент ликвидации техногенных загрязнений. Однако существующие технологии позволяют восстанавливать плодородие верхнего слоя почвы глубиной до 1 м.

2. Предложен способ контроля за временем полной и частичной очистки земель и грунтовых вод от загрязнений путем построения выходной кривой С = C(t) в технологической водоотборной скважине основанный на изменяющимися во времени площадью и углом входа вод зоны загрязнения в скважину, позволяюший обосновать выбор технологической схемы восстановления качества грунтовых вод для проведения земельно-охранных мероприятий.

3. Разработана имитационно-технологическая система и компьютерная программа "Traector" для проектирования рекультивационных и земельно-охранных систем по ликвидации остаточных загрязнений в условиях проточности мелиорантов.

4. Обоснованы и разработаны технологические схемы восстановления качества загрязненных грунтовых вод для охраны земель от техногенных загрязнений, которые классифицированы по типу совмещения водоотборного и поглощающего устройств на две группы: с раздельными водоотборным и поглощающим устройствами и с совмещенными водоотборным и поглощающим устройством.

5. Разработана земельно-охранная система по ликвидации загрязнения земель нефтепродуктами, включающая пару технологических скважин: водопоглощающую и водоотборную. Земельно-охранная система производит очистку земель на площади до 1 га при глубине эффективной очистки - 1 - 30 м и загрязнениях нефтепродуктами верхних слоев почвы 100- 150 г/кг, грунтовых вод - 10-50 мг/л. Произ

136 водительность системы - 10 - 200 м'А/сут при концентрации растворенного кислорода в поглощающей скважине - 10 - 15 мг/л.

6. Созданы технологические схемы восстановления качества грунтовых вод, которые соответствуют требованиям по снижению техногенного загрязнения земель, позволяющие с достаточной точностью воспроизводить ситуации предложенные зарубежными фирмами, при этом снижение концентрации нефтепродуктов в верхних слоях почвы происходит с Снач 150 г/кг до ПДК = 5 г/кг, снижение концентрации нефтепродуктов в грунтовых водах с Сдач 50 мг/л до ПДК = 0,1 мг/л.

7. Достаточная сходимость результатов натурных экспериментов и теоретических исследований позволяет утверждать, что предложенный способ моделирования процесса восстановления качества грунтовых вод, может быть использован в технологических схемах очистки земель от нефтяных загрязнений. Экономический эффект биологической мелиорации 1 мА загрязненных нефтепродуктами земель в ценах 2000 года составляет 174,48 руб.

Библиография Диссертация по сельскому хозяйству, кандидата технических наук, Тесленко, Роман Владимирович, Краснодар

1. Актуальные вопросы экологии и охраны природы Азовского моря Восточного Приазовья. Тез.док науч.-практ. конференции. - Краснодар, 1990. - 112 с.

2. Алекин О. А. Основы гидрохимии. Л., 1970. - 248 с.

3. Аникин B.C., Тесленко Р.В. Исследование технологических схем восстановления природного качества загрязненных подземных вод. // Научные основы современных технологий сельскохозяйственных мелиорации. Тез. док. Краснодар, 1997. - С. 8-9.

4. Аникин B.C., Тесленко Р.В. Компьютерное моделирование гидродинамических процессов в прогнозировании влияния источников загрязнений на водозаборы подземных вод. // Гидромеханика в инженерной практике. Тез. док. Киев, 1996.-С 17.

5. Аникин B.C., Тесленко Р.В. Технологические схемы восстановления природного качества подземных вод, загрязненных в процессе сельскохозяйственного производства. // Тез. док. 2— школы-семинара молодых ученых Кубани. Краснодар, 1998.

6. Аникин B.C., Тесленко Р.В. Технология восстановления природного качества загрязненных подземных вод в натурных условиях. // Тр. КубГАУ, -Краснодар, 1996. Вып. 352 (380). - С. 4-12.

7. Арье А.Г. Исследование процесса фильтрации жидкости в пористой среде. -М.: ВИЭМС, 1982. 102 с.

8. Арье А.Г. Физические основы фильтрации подземных вод. М.: Недра, 1983. -168 с.

9. Ахметьев Н.П. и др. Загрязнение грунтовых вод удобрениями. М.: Наука, 1991.-214 с.

10. Балыкин A.B. Микроорганизмы в загрязненной среде. Фрунзе: Илим, 1990. -72 с.

11. П. Белицкий A.C. Охрана природных ресурсов при удалении промышленных жидких отходов в недра Земли. М.: Недра, 1976. - 71 с.

12. Беннет Х.Х. Основы охраны почвы. М.: 1958. - 102 с.

13. Бернар К., Сервере Ж.М. Биологическая очистка подземных вод in situ от соединений железа и марганца. / ТИП УССР Днепропетровское отд. ГПНТБ МФ пер. 88/54239, 1988. 12 с.

14. Борябин В.И. Справочник по заш;ите водных бассейнов от загрязнения производственными сточными водами. М.: МТИ, 1990(1991). - 254 с.

15. Бочевер Ф. М Лапшин Н. Н; Орадовская А. Е. Зашита подземных вод от загрязнения. -М.: Недра, 1979. 168 с.16