Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Обоснование технологии очистки сельскохозяйственных земель, загрязненных нефтепродуктами

ВАК РФ 06.01.02, Мелиорация, рекультивация и охрана земель

Текст научной работыДиссертация по сельскому хозяйству, кандидата технических наук, Маматов, Андрей Андреевич, Москва

••' /О

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА И ПРОДОВОЛЬСТВИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРИРОДООБУСТРОЙСТВА

На правах рукописи

Маматов Андрей Андреевич

ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ОЧИСТКИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ЗЕМЕЛЬ, ЗАГРЯЗНЕННЫХ НЕФТЕПРОДУКТАМИ

Специальность 06.01.02 - Сельскохозяйственная мелиорация.

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Голованов Александр Иванович.

Москва - 1999

>

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...............................................................................................5

1 ОЦЕНКА ПОСЛЕДСТВИЙ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ

Н ЕФТЕП РО ДУ КТАМ И..............................................................................14

1.1 Загрязнение компонентов ландшафта нефтепродуктами..................14

1.2 Изменения в природных компонентах при увеличении концентрации углеводородов................................................................17

1.3 Оценка уровня загрязнения почв......................................................20

1.4 Оценка уровня загрязнения водных объектов...................................25

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 1...............................................................................30

2 ОСОБЕННОСТИ ФИЛЬТРАЦИИ МНОГОФАЗНОЙ ЖИДКОСТИ

В ПОРИСТЫХ СРЕДАХ.............................................................................32

2.1 Обзор литературы.............................................................................32

2.2 Математическая модель совместного передвижения

керосина и воды в грунте.......................................................................39

2.3 Алгоритм и программа расчета передвижения воды и

керосина в грунте...................................................................................51

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 2...............................................................................56

3 ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.......................................................57

3.1 Цель и задачи лабораторных исследований......................................57

3.2 Лабораторное оборудование и методика проведения экспериментов.......................................................................................57

3.3 Свойства жидкостей, используемых в экспериментах.......................60

3.4 Опыты с песчаными грунтами...........................................................65

3.5 Равновесное распределение содержания нефтепродуктов

в грунте.................................................................................................78

3.6 Проверка математической модели....................................................81

3.7 Опыты с суглинистыми грунтами.......................................................87

3.8 Дренирование водо- и керосинонасыщенных грунтов.......................90

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 3...............................................................................95

4 ПОЛЕВОЙ ЭКСПЕРИМЕНТ...................................................................97

4.1 Цель и задачи эксперимента.............................................................97

4.2 Объект полевого эксперимента........................................................97

4.2.1 Место проведения эксперимента...................................................97

4.2.2 Природные условия.......................................................................98

4.2.3 Сельскохозяйственное использование земель..............................103

4.3 Приборы и оборудование.................................................................103

4.4 Тарировка влагомера ВНП-1............................................................108

4.5 Результаты полевых экспериментов.................................................114

4.6 Доочистка почвы..............................................................................121

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 4..............................................................................125

5 ОЧИСТКА СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ЗЕМЕЛЬ, ЗАГРЯЗНЕННЫХ

Н ЕФТЕПРОДУКТАМ И.............................................................................126

5.1 Анализ известных способов рекультивации земель, загрязненных нефтепродуктами............................................................126

5.2 Предлагаемый способ очистки сельскохозяйственных земель

от легких нефтепродуктов......................................................................133

5.3 Пример применения предлагаемой технологии очистки территории, загрязненной легкими нефтепродуктами...........................135

5.3.1 Анализ природных условий...........................................................135

5.3.2 Характеристика объекта загрязнения............................................137

5.3.3 Подготовительные мероприятия и очистка загрязненной территории...........................................................................................141

5.4 Рекультивация почвенного покрова.................................................148

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 5..............................................................................150

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ.....................................................151

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК................................................!.........154

ПРИЛОЖЕНИЕ.......................................................................................167

ВВЕДЕНИЕ

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. С развитием цивилизации все острее становится вопрос о сохранении, а в последнее время и о восстановлении природной среды. Для оценки и разработки эффективных мероприятий по защите или рекультивации земель следует рассматривать все компоненты природной среды в комплексе, так как между ними существует взаимосвязь и взаимообусловленность. Этот принцип реализуется в геосистемном (ландшафтном) подходе, который обеспечивает наиболее полное описание процессов загрязнения.

Под геосистемой понимают пространственно-временной комплекс всех компонентов природы, взаимообусловленных в своем размещении и развивающихся как единое целое. Компонентами геосистемы являются: литосфера, атмосфера, гидросфера, биота и почва - как продукт, появившийся под действием живых и мертвых организмов.

В основу описания процессов загрязнения должны быть положены фундаментальные свойства геосистем: целостность; открытость (т.е. возможность обмена энергией и веществом с другими системами); способность функционирования ( в геосистеме идут непрерывные процессы преобразования энергии, вещества и информации); продуцирование биомассы (важнейший результат функционирования); способность почвообразования; пространственно-временная организация; динамика (способность обратимо изменяться во времени без перестройки структуры); устойчивость (способность восстанавливать свою структуру и другие свойства при изменении внешних воздействий); способность развиваться (геосистема способна эволюционно изменятся); нелинейность процессов (например, уменьшение скорости впитывание жидкости в почву и др.).

В иерархическом ряду геосистем ландшафт выступает как генетически единая, эталонная геосистема, т.е. наименьшая территориальная единица, сохраняющая все типичные для данной зоны черты строения географической оболочки, однородная по зональным и азональным признакам, включающая специфический набор локальных геосистем (местности, урочища, фации). В нем наиболее полно представлены характерный местный комплекс природных факторов и условий жизни и деятельности людей.

Деятельность человека по преобразованию окружающей среды приводит к антропогенной нагрузке на ландшафты. Ландшафты претерпевают обратимые или необратимые изменения в зависимости от величины этих нагрузок, например от количества поступления загрязняющих веществ.

Под загрязнением понимают природное или антропогенное увеличение содержания различных веществ в абиотических и биотических средах, обусловливающее негативные токсико-экологические последствия. Можно считать, что геосистемы становятся загрязненными, когда накопление в них загрязняющих веществ, а также формы их нахождения приводят к: нарушению газовых, концентрационных, окислительно-восстановительных функций биоты, вызывающих утрату ее геохимического самоочищения; изменению биохимического состава продукции биоты, вызывающему нарушение жизненных функций цепей в данной геосистеме и за ее пределами при отчуждении биологической продукции; снижению биологической продуктивности геосистемы; уменьшению информативности геосистемы, т.е. разрушению генофонда.

Антропогенное загрязнение земель можно условно разделить на сельскохозяйственное, жилищно-коммунальное, военное и промышленное. Сельскохозяйственное загрязнение возникает при применении

средств борьбы с болезнями и вредителями культурных растений, с сорной растительностью (пестициды, гербициды), при повышенных доз минеральных и органических удобрений, использование сточных вод с удобрительной и увлажнительной целью, использовании для орошения вод с повышенной минерализацией. Жилищно-коммунальное загрязнение происходит из-за попадания в почву различных веществ, в основном поверхностно-активных (ПАВ), находящихся в коммунальных стоках. Промышленное загрязнение на больших территориях возникает при попадании в почву через атмосферу или с дождем и снегом паров, аэрозолей, пыли. Военное загрязнение возникает при ведении боевых действий, маневров, испытании боевой техники.

По мнению специалистов, более 70% ущерба, наносимого окружающей среде промышленностью, приходится на предприятия топливно-энергетического комплекса. В биогеохимии существует термин "технофильность элемента", показывающий отношение годичного производства в тоннах к его среднему содержанию в земной коре. Из всех химических элементов наибольшей технофильностью (порядка ю10) обладает углерод и в первую очередь углерод нефти и каменного угля [166].

В результате аварий, протечек, нарушении технологических процессов, ремонтных работ при переработке нефти, транспортировке, распределении и хранении нефтепродуктов загрязнению подвергаются воздух, почва, грунты, биота, поверхностные и грунтовые воды, одним словом все компоненты геосистемы. В отличие от воздуха, где концентрация веществ не является стабильной величиной, почва и грунты аккумулируют нефтепродукты, закономерности распространения, трансформации их более наглядны и доступны для изучения.

По данным Российского отделения "Грин-пис" потери нефти и нефтепродуктов в России за счет аварийных ситуаций и несоблюдения тех-

нологической дисциплины достигают 25 млн. тонн ежегодно. Официальные оценки скромнее - 4,8 млн. тонн. По другим источникам только в Тюменской области ежегодные потери нефти и нефтепродуктов составляли 6 млн. тонн, а поступление нефтепродуктов в открытые водоемы в 1994 году составило 890000 тонн.

В ряде городов в местах расположения крупных баз хранения нефтепродуктов и заводов по переработке нефти обнаружены подземные озера масел и топлива, "плавающих" на поверхности грунтовых вод. Например, недалеко от г. Энгельса, вблизи складов топливно-смазочных материалов (ТСМ) аэродрома изысканиями выявлено два подземных скопления реактивного керосина, каждое с площадью загрязнения около 50га, залегающие на глубине порядка 5-7м, в которых имеются сотни тысяч тонн топлива. Этот керосин при периодических подъемах и опусканиях уровня грунтовых вод загрязнил водоносный горизонт, грунты зоны аэрации, почвенный слой, а в понижениях выходит на поверхность. Более того, топливо вместе с потоком грунтовых вод движется к Волгоградскому водохранилищу, создавая угрозу экологического бедствия. Известно также, что на территории авиабазы вблизи г. Ейска потерянные нефтепродукты уже достигли берега Азовского моря. В г. Новокуйбышевске в грунтах под территорией местного нефтеперерабатывающего завода обнаружены десятки млн. тонн нефтепродуктов, значительная часть которых составляет этилированный бензин. Около Курской нефтяной базы на глубине 7м обнаружено "месторождение" дизельного топлива и бензина объемом около 100 тыс. т, занимающее площадь до Юга. Аналогичные "место-рождения" найдены в Туле, Орле, Ростове, на Камчатке и в других местах.

Меньшие по размерам, но множественные по территории очаги загрязнения создаются в местах расположения небольших баз ТСМ. На-

пример, на сельскохозяйственных предприятиях России имеется около 35000 нефтескладов, где расположено около 450000 резервуаров. Точного учета проливов, утечек и протечек, конечно, никто не вел, но по отрывочным сведениям годовые потери могут находиться в пределах 5 - 20кг на тонну нефтепродуктов, прошедших через склад, или 0,5 - 2%. При годовой поставке 30 млн. тонн автобензина и дизельного топлива предприятиям Минсельхоза РФ (средние данные за 1987 - 1991 гг.) потери нефтепродуктов составляют от 150 тыс. до 600 тыс. тонн или грубо 10 тонн на одном нефтескладе в год. За 25 - 30 лет существования одного небольшого нефтесклада, а их около 35 тыс., под ним может накопиться до 350 тонн нефтепродуктов.

В нефтедобывающей отрасли нередки открытые фонтаны с неконтролируемым выбросом нефти. В 1991 г. выброс нефти произошел в ПО "Сахалинморнефтегаз" корпорации "Роснефтегаз", в 1992 г. на Комсомольском месторождении предприятия "Тюменьбургаз" РАО "Газпром", в 1993 г. наиболее тяжелые последствия имели фонтаны в объединении "Ямалнефтегеология" на Ново-Портовском месторождении и в объединении "Кубаньгазпром" на прибрежном месторождении.

На магистральных нефте-, газо- и продуктопроводах в 1992 г. было отмечено 57 аварий, сопровождавшихся потерями сырья. В 1993 г. произошло 77 аварий, связанных со сбросом нефти и нефтепродуктов, или 57,5% от общего числа чрезвычайных техногенных ситуаций с экологическими последствиями. В том же году при перевозке опасных грузов на железнодорожном транспорте произошло 20 аварий и крушений поездов. В Москве, Санкт-Петербурге, Волгограде, Саратове, Перми, Екатеринбурге и других городах в результате сходов и столкновений составов в окружающую среду попало 1600 тонн нефтепродуктов.

Локализация образовавшихся очагов загрязнения, очистка почв, грунтов и восстановление качества грунтовых вод представляет собой весьма трудную задачу. В зависимости от выполнения природоохранных мероприятий и надежности оборудования поступление нефтепродуктов в окружающую среду могут увеличиться или уменьшиться, но в целом техногенные потоки углеводородов - это неизбежный результат хозяйственной деятельности общества, объективный процесс, требующий, как и природные процессы, изучения и разработки своей теории.

Понятно, что любые природоохранные мероприятия в этом случае связаны с большими материальными затратами, однако в последующем эти затраты станут еще более внушительными из-за повышенной заболеваемости людей, снижения их работоспособности, ухудшения условий труда и жизни, снижения продуктивности природных ресурсов. Хотя уже сегодня статистика здоровья населения свидетельствует скорее о национальном бедствии, чем об опасности.

ЦЕЛЬЮ РАБОТЫ является обоснование технологии очистки сельскохозяйственных земель от крупного скопления легких нефтепродуктов и способа рекультивации загрязненного почвенного покрова.

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ в соответствии с целью работы обозначаются следующим образом:

1) Осуществить лабораторные исследования двухфазной фильтрации воды и керосина в грунтах различного механического состава и в почвенных монолитах с ненарушенной структурой, сложением и строением.

2) Выполнить корректировку математической модели совместного передвижения воды и керосина в грунте по результатам лабораторных

исследований и на ее основе разработать способ прогнозирования содержания нефтепродуктов для обоснования параметров технологии очистки.

3) В опытах на грунтовом лотке определить эффективность удаления нефтепродукта из водонасыщенных грунтов способом дренирования.

4) Провести полевой лизиметрический эксперимент по загрязнению почвенного профиля керосином и очистке его путем гидравлического вытеснения нефтепродукта на поверхность. Далее провести мероприятия по рекультивации почвенного покрова.

5) На основании выполненных теоретических и экспериментальных исследований разработать технологию локализации скопления легких нефтепродуктов и их удаление из ненарушенных грунтов.

МЕТОДИКА И МЕСТО ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ. В работе применялись экспериментальные, теоретические методы исследования, а также математическое моделирование. Экспериментальные методы исследования проводились в лабораторных и полевых условиях. Лабораторные эксперименты по двухфазной фильтрации воды и керосина проводились в лаборатории кафедры мелиорации и рекультивации земель, полевые эксперименты - на опытном участке кафедры в селе Селково Московской области.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА работы заключается:

1) Проанализировано распределение нефтепродуктов при существенных утечках на территории с неглубокими грунтовыми водами. Показано, что в результате всегда имеющихся сезонных колебаний верхнего безнапорного горизонта грунтовых вод, количество нефтепродуктов распределено по профилю неравномерно. Значительная их часть находится в

капиллярной кайме, а область наибольшего скопления расположена у ее основания. Насыщенность загрязнителя уменьшается под поверхностью грунтовых вод и доходит до гидравлически неподвижной насыщености на нижней поверхности области загрязнения.

2) Разработана и адаптирована к рассматриваемой проблеме математическая модель, описывающая процесс совместной фильтрации воды и керосина и процесс всплытия нефтепродукта.

3) Экспериментальным путем установлены некоторые закономерности совместной фильтрации воды и керосина в песчаных грунтах; эффективность очистки путем дренирования и гидравлического вытеснения нефтепродуктов; доказана возможность и относительно высокая степень очис