Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Совершенствование методов защиты и очистки подземных вод от загрязнения нефтепродуктами

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Текст научной работыДиссертация по географии, кандидата технических наук, Воляник, Владимир Николаевич, Ростов-на-Дону



РОСТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ВОЛЯНИК ВЛАДИМИР НИКОЛАЕВИЧ

УДК 628.16

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ ЗАЩИТЫ И ОЧИСТКИ ПОДЗЕМНЫХ ВОД ОТ ЗАГРЯЗНЕНИЯ НЕФТЕПРОДУКТАМИ

(НА ПРИМЕРЕ ПРЕДПРИЯТИЙ УФИМСКОГО НЕФТЕХИМИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА)

11.00.11 - «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов (технические науки)

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель Профессор, доктор технических наук СЕРПОКРЫЛОВ Н.С.

Ростов-на-Дону 1999

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

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

ГЛАВА 1. Формирование загрязнения подземных вод в зоне

функционирования нефтехимических производств .............. 11

1.1. Понятия и термины........................................................ 11

1.2. Виды загрязнения.......................................................... 18

1.3. Методы защиты и очистки подземных вод от загрязнения нефтепродуктами................................................................ 23

Выводы по главе 1...................................................................... 37

ГЛАВА 2. Особенности строения района исследований и динамики

формирования загрязнения подземных вод

нефтепродуктами......................................................... 39

2.1. Геолого-гидрогеологические условия формирования и

движения подземных вод.........................• ................ 39

а* К*"*

2.2. Формирование ореолов загрязнения............................ 50

2.3. Натурные обследования зон загрязнения............................. 53

Выводы по главе 2...................................................................... 64

ГЛАВА 3. Моделирование процессов деструкции

нефтепродуктов в лабораторных условиях.......................... 66

3.1. Моделирование накопления фенолов в загрязненном горизонте грунтовых вод...................................................... 66

3.2. Моделирование зависимостей поведения

нефтепродуктов в потоке подземных вод.................................. 73

3.3 Исследование деструкции нефтепродуктов

музейными штаммами.......................................................... 92

3.4 Деструкция НП в почво-грунтах зоны аэрации....................... 95

Выводы по главе 3...................................................................... 97

ГЛАВА 4, Натурное моделирование процесса перехвата

загрязненных нефтепродуктами подземных вод................. 99

4.1 Методика и объект исследований...................................... 99

4.2 Анализ результатов натурного моделирования......................107

4.3 Исследование микробной деструкции нефтепродуктов

в натурных условиях...........................................................141

Выводы по главе 4..................................................................... 145

ГЛАВА 5. Разработка рекомендации по техническому и технологическому оснащению комплекса по защите подземных вод от загрязнения

нефтепродуктами.........................................................148

5.1. Обоснования технических решений по

очистке дренажных вод от НП..............................................148

5.2. Экспериментальное обоснование технологических

решений.......................................................................... 161

5.3. Рекомендации по комплексу защитных сооружений............. 178

5.4. Эколого-экономические оценки предлагаемых природоохранных мероприятий............................................ 188

Выводы по главе 5.................................................................... 191

ВЫВОДЫ............................................................................... 192

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ........................................................... 195

ПРИЛОЖЕНИЯ....................................................................... 206

Введение

Актуальность проблемы. Антропогенное загрязнение поверхности Мирового океана нефтью и продуктами её переработки (НП) опасно глобальными изменениями климата и нарушением кислородного баланса. Среди его источников в наименьшей степени уделяется внимание загрязненным подземным водам, которые, разгружаясь, поставляют в поверхностные водоемы большие массы НП. Если количество поступления НП в водоемы от техногенных отказов сравнительно легко может быть определено, то нахождение массы загрязнений, поступающих с подземными водами, практически неосуществимо, ввиду инерционности процессов их перемещения, масштабов и стоимости организационных и технических работ. К тому же характер и режим поступления НП из подземных вод зависит от множества взаимообусловленных геологических, гидрогеологических, климатических, физических, химических, биохимических и других факторов. При этом важную роль играет фактор времени. (По нашим данным, например, в р. Белая -главную водную артерию республики Башкортостан - с подземными водами в настоящее время поступают углеводороды, производство которых на заводе ОЛУ НПЗ прекращено более 40 лет назад).

Многократно сорбируясь-десорбируясь и трансформируясь в зоне аэрации, в водоносном горизонте, нефть продуцирует вторичные продукты, ПДК которых в десятки раз меньше (например, фенола), а также негативно влияет на прочностные характеристики грунтов, приводит к повышенной коррозии конструкций и коммуникаций.

Перехват дренажами загрязненных подземных вод и их очистка на дневной поверхности (помимо очевидных строительных и эксплуатационных затрат) экономически невыгодны потенциальному загрязнителю нефтепродуктами еще и потому, что в результате дренирования он должен обеспечить нормативную степень очистки вод от НП. При невыполнении этих норм органами Комприроды ему предъявляются ощутимые экономические санкции. То есть, несовершенство природоохранного законодательства приводит к парадоксальной ситуации, когда не очищать загрязненные подземные воды более выгодно, чем очищать. Компромиссным вариантом, примиряющим требования природоохранного законодательства и экономики, может быть уменьшение содержания НП непосредственно в водоносном пласте, в дренаже или при транспортировании подземных вод без подъема их на дневную поверхность.

Известные технические и технологические решения по внутрипластовой защите подземных вод не касаются выделения НП. Также не могут быть без адаптации и доработки применены классические методы очистки нефтесодержащих производственных сточных вод. Необходимость обоснования, создания и разработки экологичных и экономичных решений по защите и очистке подземных вод от загрязнения НП и обуславливают актуальность данной работы.

Работа выполнялась в рамках госбюджетной темы № 1.3.94 «Разработка экологически надежной технологии очистки сбросных (дренажных вод)» Минвуза РФ 1994-1997 гг. и во исполнение Постановления Совета министров

СССР №556 от 02.06.1990 г. «О первоочередных мерах по охране окружающей среды в г.г. Уфе и Благовещенске Башкирской АССР».

Цель работы - обоснование, разработка, исследование и внедрение в практику ресурсосберегающих экологичных технологий и технических решений, обеспечивающих высокую степень очистки подземных вод, загрязненных НП, как внутри водоносного пласта, так и при подъеме их на дневную поверхность.

Задачи исследований. Достижение поставленной цели предусматривало решение следующих задач:

• изучение закономерностей системы «вода-нефть-фенол» и ее влияния на процесс очистки;

• изучение влияния грунтов на сорбцию-десорбцию НП в водонасыщенной среде и зоне аэрации;

• выявление условий и обоснование устройства для перехвата грунтовых потоков, загрязненных НП;

• исследование эффективности и особенностей внутрипластовой очистки подземных вод от НП механическими, химическими и физико-химическими методами;

• исследование протекторной роли нефтеокисляющих бактерий в зоне аэрации и в подземных водах, загрязненных НП;

• разработка и внедрение технологической схемы, рекомендаций на проектирование для внутрипластовой и на дневной поверхности очистки подземных вод от НП.

Основная идея работы заключается в обосновании, разработке, исследовании и внедрении высокоэффективных ресурсосберегающих технологических и технических решений по предотвращению вредного воздействия на водоемы нефтепродуктов и фенола за счет их перехвата, локализации очага загрязнения и очистки подземных вод.

Научная новизна;

® теоретически обоснована и доведена до практического воплощения экотехнология перехвата и очистки подземных вод от НП;

• получены математические модели, аппроксимирующие условия перехода в тройной системе «вода-нефть-фенол» и перехватывающую способность дренажей применительно к подземным водам, позволяющие прогнозировать эффективность выделения НП;

• получены математические модели, описывающие процессы предварительной химической и физико-химической очистки подземных вод при их транспортировании;

• определены технические параметры применения высокоэффективного нефтеокисляющего бактериального штамма Л.е. 36а-1 для очистки почво-грунтов зон аэрации и водонасыщения от НП;

• предложена инженерная методика расчетов технологических режимов и параметров установки по внутрипластовой очистке и очистке на дневной поверхности подземных вод от НП.

Практическая значимость:

• определены технические параметры и разработаны рекомендации по оптимальному проектированию и конструкциям дренажей для перехвата подземных вод, содержащих НП;

• экспериментально обоснованы и внедрены в природоохранную практику конструкции дренажей и установка по физико-механической очистке подземных вод от НП;

• составлены рекомендации по применению систем перехвата и внутрипластовой очистки подземных вод;

• установлен существенный природоохранный эффект применения внутрипластовой очистки подземных вод от НП по сравнению с физико-химической - на поверхности и выполнена его эколого-технико-экономическая оценка.

На защиту выносятся:

• ресурсосберегающая экотехнология предотвращения загрязнения поверхностных вод нефтепродуктами путем перехвата и внутрипластовой или на дневной поверхности очистки подземных вод от НП;

• экспериментальное обоснование и технические решения по микробной защите и очистке грунтов зон аэрации и водонасыщения от загрязнения НП;

• математические модели, описывающие процессы внутрипластовой трансформации, а также химической и физико-химической очистки нефтесодержащих подземных вод на стадии их транспортирования;

® технические рекомендации и инженерная методика расчета рабочих режимов перехвата, отведения и очистки подземных вод от НИ.

Реализация результатов работы: на основании разработанных методик и технологий запроектированы и действуют системы перехвата и очистки загрязненных нефтепродуктами и фенолами грунтовых вод на следующих объектах: Батайская нефтебаза, г. Батайск, ОАО «Туапсинский НПЗ», г. Туапсе, ПО «Пермьоргсинтез», г. Пермь, ОЛУ НПЗ, НУ НПЗ, ПО "Уфаоргсинтез", г. Уфа. Материалы диссертационной работы также вошли в состав ряда проектов на стадии «рабочая документация».

Технические решения по разработанным методикам оценки загрязнения, защиты и очистки подземных вод от нефтепродуктов и фенола используются в учебном процессе Ростовского государственного строительного университета (РГСУ) по специальностям «Инженерная защита окружающей среды в строительстве и муниципальном хозяйстве» и «Водоснабжение и водоотведение».

Апробация работы: материалы исследований докладывались на конкурсах молодых ученых по экологии в Новочеркасском государственном техническом университете и Ростовском государственном строительном университете (Ростов-на-Дону, 1993-1999 гг.), 2-й Международной конференции по проблемам очистки воды «ЭКВАТЕК -98» (г. Москва), технических совещаниях с участием научно-исследовательских и проектных организаций (г. Уфа, республика Башкортостан).

Структура и объем работы; диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 210 страниц, включая 39 рисунков и 30 таблиц. Список цитируемой литературы насчитывает 128 наименований.

Исследования выполнены автором на базе в института ОАО «Ростовский Водоканалпроект», МП «Экогидронафт», НГ1П «Ростинжстрой», ООО «Ингео». Лабораторные эксперименты исследовательской части работы выполнены на базе лабораторий Ростовского институт «Южгипроводхоз», лаборатории судебной экспертизы Ростовской области и лабораториях заводов Уфимского нефтеперерабатывающего комплекса под руководством с.н.с., к.т.н. С.А. Гороховой. Обработка экспериментальных данных велась при содействии к.т.н., старшего преподавателя РИНХа Гамалей Я.В. Полевые работы и подготовка полигонов для натурного моделирования выполнены под руководством главного геолога, начальника уфимской эколого-гидрогеологической экспедиции ГМП «Экогидронафт» Ю.Б. Гамалея.

Автор выражает глубокую благодарность Начальнику отдела охраны природы ОЛУ НПЗ И.Н. Шамсутдинову, к.т.н. доценту кафедры ВиВ B.C. Алешину, к.т.н. доценту кафедры ЮРГТУ (НПИ) Л.П. Сергиенко, с.н.с. к.б.н. Г.Ф. Смирнову «Институт микробиологии и вирусологии национальной академии наук Украины» за методическую и экспериментальную помощь при проведении исследований, а также всем сотрудникам ГМП «Экогидронафт», ОАО институт «Ростовский Водоканалпроект» за советы и замечания в ходе работы. Особую благодарность автор выражает научному руководителю доктору технических наук, профессору Серпокрылову Николаю Сергеевичу.

ГЛАВА 1. Формирование загрязнения подземных вод в зоне функционирования нефтехимических производств 1.1 Понятия и термины

Подземные воды - это понятие рассматривается, как это принято в строительной практике [47,100,101]. В дальнейшем будет оцениваться, в основном, природно-техногенный комплекс [89], возникший на базе горизонта грунтовых вод, верховодки и промышленных утечек различного характера [28.89]. Влияние последних напрямую зависит от проницаемости горных пород, на поверхность или в толщу которых случайным образом поступают технологические растворы, продукты или эмульсии [35].

Гидрогеоэкология изучает проницаемость горных пород по отношению к водам, движение которых определяется наличием в них неводных жидкостей и продуктов их трансформации.

При решении гидрогеоэкологических задач приходится учитывать, что проницаемость горных пород зависит [28,63,104]:

® от фильтрационных свойств самих пород и их массивов;

• от динамических свойств движущихся через горные породы веществ (например, жидких нефтепродуктов или их газообразных производных);

• от статических и динамических давлений во вмещающем природно-техногенный горизонт подземных вод пласте горных пород.

В качестве базиса для достижения дели настоящего исследования необходимо рассмотреть современную классификацию горных пород по проницаемости с учетом всех или большинства факторов, определяющих «эффективную проницаемость». Эта классификация в качестве каркаса содержит по балльности, категории горных пород по проницаемости от 6 до 0 при 1=10° С, что соответствует относительной степени проницаемости горных пород от «очень высокой» до «практически нулевой» [48]. Значения коэффициента проницаемости (Кп, дарси), являются величиной постоянной для конкретной породы при фильтрации конкретной жидкости. Анализ проведенных в работе [14] значений Кфпв и Кп, показывает, что в местах проливов (утечек) термальные ореолы влияния могут быть существенно большими, чем соответствующие величины коэффициентов проницаемости горной породы по отношению к природным водам.

Приводимые в классификации относительные категории проницаемости, выраженные в балльной системе оценки, несут в себе практически значимую качественно-количественную информацию. Эта «балльная шкала» применима, например, для предварительной оценки степени загрязненности геологической среды на территориях нефтеперерабатывающих и нефтехимических комплексов [10,11,31]. С её помощью методами аналогий [46,52] можно оценивать в баллах проницаемость толщ зоны аэрации по отношению к аналогичным эмульсиям (вода + жидкие нефтепродукты), а затем - степень вероятной углеводородной загрязненности горизонта подземных вод на участках размещения таких

объектов при неизвестных масштабах фактической загрязненности и минимума гидрогеологической информации.

Как уже отмечалось, фактическая проницаемость пластов пород зависит также от динамических факторов и температуры потока фильтрующейся жидкости. Поэтому следует оговориться, что натурные обследования объекта исследования соответствуют конкретным температурно-динамическим условиям, что в свою очередь зависит от коэффициента подземного стока и от степени водности года.

Особенности зависимости подземного стока от атмосферных осадков определяются [40,43,44] вкладом сезонных осадков и осадков текущего года. Осадки предыдущих лет при этом автоматически учтены в уровнях, что и сделало вклад последних в прогнозируемые параметры режима более весомыми. Уровни подземных вод определяются интегральными осадками за серию лет. Корреляционный анализ рядов уровней подземных вод с последовательно суммируемыми осадками за I, 2, 3 года и т.д. показывает, что коэффициенты корреляции сначала растут, достигая максимума, а затем постепенно падаю