Анализ методов очистки нефтезагрязненных почв при авариях на объектах нефтегазовой отрасли и транспорте

УДК 632.1 22.2

Д. И. Халилова, Д. М. Юнусова

АНАЛИЗ МЕТОДОВ ОЧИСТКИ НЕФТЕЗАГРЯЗНЕННЫХ ПОЧВ ПРИ АВАРИЯХ НА ОБЪЕКТАХ НЕФТЕГАЗОВОЙ ОТРАСЛИ

И ТРАНСПОРТЕ

Дата поступления: 24.04.17 Решение о публикации: 10.05.17

Аннотация

Цель: Загрязнение природной среды нефтью и сопутствующими загрязнителями - острейшая экологическая проблема во многих регионах России. Загрязнение нефтью влияет на весь комплекс морфологических, физических, физико-химических, биологических свойств почвы, определяющих ее плодородные и экологические функции. Для повышения уровня экологической безопасности в нефтегазовой отрасли России и на транспорте проведена многофакторная оценка существующих способов очистки нефтезагрязненных почв. Методы: Сравнение существующих способов очистки нефтезагрязненных почв: механических, физико-химических и биологических. На основе методов системного анализа определено, что фиторемедиация имеет большой потенциал для очистки почв и грунтовых вод, загрязненных углеводородами, так как этот метод, как правило, дешевле, чем альтернативные способы очистки грунтов. Растения не снижают качество почвы и не привносят никакого вторичного загрязнения по сравнению с традиционными методами. Кроме того, общественность положительно воспринимает фиторемедиацию, считая ее экологически чистым подходом к очистке загрязненных почв. Результаты: Рассмотрены основные физиолого-биохимические процессы в растениях, определяющие снижение концентрации углеводородов в почве. Обозначены критерии выбора растений для фито-ремедиации. К основным ограничениям использования фиторемедиации относят значительную продолжительность времени восстановления почвы, существенное влияние климатических и гидрологических условий территории на рост растений, зона воздействия растений ограничивается менее чем 0,9 м от поверхности почвы (корнеобитаемый слой), невозможностью выращивания растений на сильно загрязненных почвах, а также вероятным поступлением загрязнителей в пищевые цепи. Показано, что широкое внедрение фиторемедиации сдерживается тем, что механизмы данного метода недостаточно изучены. Практическая значимость: Установлено, что фиторемедиация имеет большой потенциал для очистки нефтезагрязненных почв и грунтовых вод.

Ключевые слова: Нефтезагрязненные почвы, аварии при транспортировке нефти, способы очистки, системный анализ, фиторемедиация, экологическая безопасность, эффективность очистки, обоснованный выбор.

Diana I. Khalilova, student, di.halilowa@mail.ru; * Dina M. Yunusova, student, yunusova. iubp@mail.ru (Bashkir State University). ANALYSIS OF OIL-CONTAMINATED SOIL CLEANING METHODS IN EMERGENCIES AT OIL AND GAS FACILITIES AND IN TRANSPORT

Summary

Objective: Environment contamination with oil and concomitant contaminants is a burning environmental issue in many parts of Russia. Oil contamination has an effect on the overall set of soil morphological, physical, physicochemical and biological characteristics that govern its fertile and ecological functions. To reach a higher environmental safety level in the Russian oil and gas industry and transport, a multiple factor assessment of the existing oil-contaminated soil cleaning methods has been performed. Methods: Comparison of the existing oil-contaminated soil cleaning methods: mechanical, physicochemical and biological ones. Based on the systems analysis methods, phytoremediation is found to have a high potential for cleaning soils and groundwater contaminated with hydrocarbons as the above method is as a rule cheaper than any alternative soil cleaning methods. Plants do not deteriorate soil or add any secondary pollution as compared with conventional methods. In addition, the public has a positive attitude towards phytoremediation regarding it as an eco-friendly approach to cleaning contaminated soils. Results: Basic physiological and biochemical processes in plants causing a lower hydrocarbon concentration in soil are discussed. Criteria for selection of plants for phytoremediation are identified. The primary limitations on use of phytoremediation include a long soil remediation period, a significant impact of local climatic and hydrological conditions on plant growth, a plant exposure area is limited to less than 0,9 m from the soil surface (root layer), by an impossibility of growing plants in heavily contaminated soils, and also probable ingress of contaminants into food chains. It is shown that large-scale implementation of the method is held back as the method mechanisms are not sufficiently investigated. Practical importance: Phytoremediation is found to have a high potential for cleaning oil-contaminated soils and groundwater.

Keywords: Oil-contaminated soils, oil transportation accidents, cleaning methods, systems analysis, phytoremediation, environmental safety, cleaning efficiency, reasonable selection.

Повышение уровня экологической безопасности в нефтегазовой отрасли России и на транспорте - важная положительная тенденция последнего времени [1]. Нефтяное загрязнение является опасным антропогенным фактором, способным приводить к деградации значительных площадей сельскохозяйственных земель.

Для решения проблем нарушенных почвенных экосистем вследствие разлива нефтепродуктов при добыче, транспортировке или авариях на нефтепроводах [2, 3] применяют механические, физико-химические и биологические способы очистки (табл. 1).

Физико-химические методы пригодны для обеззараживания относительно небольших площадей, в то же время они очень дороги для использования на больших площадях, загрязненных промышленными веществами, нефтепродуктами и на горнодобывающих участках. Так, в настоящее время многие развивающиеся страны, такие как Иран, почти полностью отказались от идеи дезактивации загрязненных нефтью почв из-за высоких затрат на обычные (физико-химические) методы [5]. Наибольшую популярность приобретают биологические методы: биоремедиация и фиторемедиация [6].

Под термином «биоремедиация» принято понимать применение технологий и устройств, предназначенных для биологической очистки почв, т. е. для удаления из почвы уже находящихся в ней загрязнителей.

Методы Способы ликвидации Особенности применения [4]

« ЕГ ие ни ак Обвалка загрязнения, откачка нефти в емкости Первичные мероприятия при крупных разливах при наличии соответствующей техники и резервуаров

хс е Е Замена почвы Вывоз почвы на полигоны промышленных отходов для естественного разложения нефти и нефтепродуктов

Сжигание Экстренная мера при угрозе прорыва нефти в водные источники. В зависимости от типа нефти и нефтепродукта уничтожается от 50 до 70 % разлива, остальная часть просачивается в почву. Из-за недостаточно высокой температуры в атмосферу попадают продукты возгонки и неполного окисления нефти; землю после сжигания необходимо вывозить на полигоны промышленных отходов

е и к с е ч К 2 и -х о- Предотвращение возгорания При разливе легковоспламеняющихся продуктов в цехах, жилых кварталах, на автомагистралях, где возгорание опаснее загрязнения почвы; изолируют разлив сверху противопожарными пенами или засыпают сорбентами

Промывка почвы Проводится в промывных барабанах с применением ПАВ, промывные воды отстаиваются в гидроизолированных прудах или емкостях, где впоследствии проводятся их разделение и очистка

ок и з К © Дренирование почвы Разновидность промывки почвы на месте с помощью дренажных систем; может сочетаться с использованием нефте-разлагающих бактерий

Экстракция растворителями Обычно проводится в промывных барабанах летучими растворителями с последующей отгонкой их остатков паром

Сорбция Разливы на сравнительно твердой поверхности (асфальт, бетон, утрамбованный грунт) засыпают сорбентами для поглощения нефтепродукта и снижения пожароопасности при разливе легковоспламеняющихся продуктов

Термическая десорбция Проводится редко при наличии соответствующего оборудования, позволяет получать полезные продукты вплоть до мазутных фракций

е к к с е ч и Биоремедиация Применяют нефтеразрушающие микроорганизмы. Необходима запашка культуры в почву. Периодические подкормки растворами удобрений, ограничение по глубине обработки, температуре почвы (выше 15 °С), процесс занимает 2-3 сезона

г о ч о к рр Фиторемедиация Устранение остатков нефти путем высева нефтестойких трав (клевер ползучий, щавель, осока и др.), активизирующих почвенную микрофлору, является окончательной стадией рекультивации загрязненных почв

Фиторемедиация представляет собой биологический процесс, использующий естественную растительность для разложения и удаления загрязняющих веществ в почвах или грунтовых водах [7].

Основные преимущества использования метода фиторемедиации включают в себя экономическую эффективность, эстетичность и относительно низкую стоимость [8]. В табл. 2 представлены преимущества и недостатки фиторемедиации нефтезагрязненных почв по сравнению с традиционными технологиями, такими как откачка и обработка загрязненных грунтовых вод, выемка грунта и обработка загрязненной почвы на поверхности.

ТАБЛИЦА 2. Преимущества и недостатки фиторемедиации

Преимущества Недостатки

Относительно низкая стоимость Простота реализации Несколько механизмов удаления Экологично сть Эстетичность Снижает количество отходов, вывозимых на свалку Возможность сбора растительного материала Более длительные сроки Зависимость от погодных условий Возможно неустановленное влияние на пищевые цепи Результаты могут быть изменчивы

Фиторемедиация, как правило, дешевле, чем альтернативные способы очистки грунтов, такие как выемка грунта, обработка почвы, промывка почвы или экстракция [9]. После завершения первоначальной подготовки почвы и посадки растений стоимость фиторемедиации понижается до минимума.

Кроме того, растения не снижают качество почвы и не привносят никакого вторичного загрязнения по сравнению с традиционными методами. Общественность положительно воспринимает фиторемедиацию, считая ее экологически чистым подходом к очистке загрязненных почв.

Таким образом, фиторемедиация имеет большой потенциал для очистки почв и грунтовых вод, загрязненных углеводородами. Для повышения ее эффективности необходим предварительный анализ особенностей растений, поскольку в основе фиторемедиации лежат процессы жизнедеятельности растений, которые ведут к деградации загрязнителя, его удалению (через аккумуляцию или при испарении) либо иммобилизации [10].

Данные о непосредственном влиянии растений на углеводороды в растениях немногочисленны и посвящены преимущественно исследованию ПАУ [11]. Основными физиолого-биохимическими процессами растений, определяющими снижение концентрации углеводородов в почве, могут являться (табл. 3):

1) поглощение в транспирационном потоке;

2) транслокация в растение;

3) трансформация в растении;

4) экскреция (улетучивание из растения через транспирацию или выделение соединений через корни) [12].

ТАБЛИЦА 3. Растения, обладающие способностью к фиторемедиации углеводородных загрязнителей

Вид растения Углеводороды

Семейство мятликовые

Житняк Смита (Agropyron smithii Rydb) Хризен, бенз(а)пирен, бенз(а)антрацен, дибенз(а^)антрацен

Бородач Жерарда (Andropogon gerardi Vitman) Хризен, бенз(а)пирен, бенз(а)антрацен, дибенз(а^)антрацен

Колосняк канадский (Elymus canadiensis L.) Хризен, бенз(а)пирен, бенз(а)антрацен, дибенз(а^)антрацен

Соргаструм поникающий (Sorgastrum nutans (L.) Nash) Хризен, бенз(а)пирен, бенз(а)антрацен, дибенз(а^)антрацен

Овсяница красная (Festuca rubra L.) Сырая нефть, дизельное топливо

Просо прутьевидное (Panicum virgatum L.) Антрацен, пирен

Плевел многолетний (Lolium perenne L.) Алканы, пристан, гексадекан, фенантрен, антрацен, флуорантен, пирен

Плевел многоцветковый (Lolium multiflorum L.) Сырая нефть, дизельное топливо

Семейство бобовые

Люцерна посевная (Medicado sativa L.) Бензол, антрацен, пирен, нафталин

Соя (Glycine max L.) Антрацен

Семейство зонтичные

Морковь обыкновенная (Daucus carota L.) ПАУ

Семейство ивовые

Тополь дельтовидный (Populus deltoids Marsh) Бензол, толуол, о-ксилол

Ива (Salix sp.) Бензол, толуол, о-ксилол

Такие растения как тополь дельтовидный (Populus deltoids Marsh) и ива (Salix sp.) обладают быстрым ростом, имеют более глубокое укоренение и высокую транспирацию.

Злаки часто высаживают между рядами деревьев в качестве первичного метода восстановления, чтобы обеспечить достаточную стабилизацию грун-

та. Они образуют огромное количество мелких корней в поверхностном слое почвы, что является эффективным методом при связывании гидрофобных загрязняющих веществ, таких как нефтяные углеводородные загрязнения и полициклические ароматические углеводороды.

Бобовые растения, например люцерна (Medicago Sativa) и клевер (Trifolium pretense L.), могут быть использованы для восстановления азота на почвах. Вульпия мышехвостниковая (Vulpia myuros) и рожь (Secale cereale L.) также были успешно применены в поглощении нефтехимических отходов. После уборки урожая травы могут быть утилизированы как компост или сожжены.

Основными побочными эффектами, как правило, являются снижение всхожести семян и их рост при высокой концентрации загрязняющих веществ. По сравнению с незагрязненной почва, содержащая 2 % нефтяных углеводородов, снижает урожайность люцерны на 32 % [13]. Производство биомассы плевела была сокращено на 46 % при концентрации в почве 0,5 % (5000 мг/кг) углеводородов [14].

К основным ограничениям использования фиторемедиации относят большую продолжительность времени восстановления почвы, существенное влияние климатических и гидрологических условий территории [15] на рост растений, зона воздействия растений ограничивается менее чем 0,9 м от поверхности почвы (корнеобитаемый слой), невозможностью выращивания растений на сильно загрязненных почвах, а также вероятным поступлением загрязнителей в пищевые цепи. Кроме того, следует отметить, что механизмы фиторемедиации изучены недостаточно, что затрудняет ее широкое внедрение.

Однако, как показывает анализ мирового опыта, фиторемедиация является одним из наиболее действенных, экологичных, быстрых и эффективных с экономической точки зрения методов восстановления загрязненных земель.

Библиографический список

1. Елизарьев А. Н. Прогнозирование разливов нефтепродуктов при железнодорожных авариях / А. Н. Елизарьев, Т. Р. Юсупов, Е. Н. Елизарьева // Бюл. результатов науч. исследований. - 2016. - Вып. 3-4 (20-21). - С. 28-35.

2. Елизарьев А. Н. Методика оперативной оценки риска возникновения чрезвычайной ситуации на объектах нефтепродуктообеспечения в зоне проявления карстовых процессов / А. Н. Елизарьев, Р. Р. Габдулхаков, Р. Г. Ахтямов // Электрон. журн. «Нефтегазовое дело». - 2012. - Т. 10, № 1. - С. 124-131.

3. Титова Т. С. Совершенствование подходов к оценке последствий разгерметизации подводных переходов магистральных нефтепроводов / Т. С. Титова, Р. Г. Ахтямов, Г. А. Бухарбаева // Безопасность труда в промышленности. - 2016. - № 3. - С. 47-51.

4. Ежелев З. С. Свойства и режимы рекультивированных после разливов нефти почв Усинского района Республики Коми : дис. на соискание учен. степени канд. биол. наук. -М. : МГУ им. М. В. Ломоносова, 2015. - 142 с.

5. Ravanbakhsh Shirdam. Phytoremediation of hydrocarbon-contaminated soils with emphasis on the effect of petroleum hydrocarbons on the growth of plant species / Shirdam Ravanbakhsh, Ali Daryabeigi Zand, Gholamreza Nabi Bidhendi, Nasser Mehrdadi // Phytopro-tection. - 2008. - N 89 (1). - P. 21-29.

6. Елизарьева Е. Н. Растения для фиторемедиации воды, загрязненной тяжелыми металлами / Е. Н. Елизарьева, Ю. А. Янбаев, А. Ю. Кулагин // Вестн. Оренбург. гос. ун-та. -2016. - № 3 (191). - С. 69-76.

7. Елизарьева Е. Н. Особенность выбора фиторемедиационных технологий очистки почв и сточных вод от ионов тяжелых металлов / Е. Н. Елизарьева, Ю. А. Янбаев, А. Ю. Кулагин // Вестн. Удмурт. гос. ун-та. Сер. Биология. Науки о Земле. - 2016. - Т. 26, № 3.- С. 7-19.

8. Kamath R. Phytoremediation of hydrocarbon-contaminated soils : principles and applications / R. Kamath, J. A. Rentz, J. L. Schnoor, P. J. J. Alvarez // Studies in Surface Science and Catalysis. - 2004. - Vol. 151. - P. 447-478.

9. Халилова Д. И. Экономическая эффективность методов ликвидации нефтяных загрязнений почвы / Д. И. Халилова, Е. Н. Елизарьева // Форум молодых ученых. - 2016. -№ 4 (4). - С. 996-999.

10. Qixing Z. Ecological Remediation of Hydrocarbon Contaminated Soils with Weed Plant / Z. Qixing, C. Zhang, Z. Zhineng, L. Weitao // Journal of Resources and Ecology. - 2011. -N 2 (2). - P. 97-105.

11. Schnoor J. L. Phytoremediation of organic and nutrient contaminants / J. L. Schnoor, L. A. Licht, S. C. Mccutcheon, N. L. Wolfe, L. H. Carriera // Environ. Sci. Technol. - 2005. -N 29. - P. 318-323.

12. Gatliff E. G. Vegetative remediation process offers advantages over traditional pump-and-treat technologies / E. G. Gatliff // Remediation. - 1994. - N 8. - P. 343-352.

13. Wiltse C. C. Greenhouse evaluation of agronomic and crude oil-phytoremediation potential among alfalfa genotypes / C. C. Wiltse, W. L. Rooney, Z. Chen, A. P. Schwab, M. K. Banks // J. Environ. Qual. - 1998. - N 27 (1). - P. 169-173.

14. Gunther T. Effects of ryegrass on biodegradation of hydrocarbons in soil / T. Gunther, U. Dornberger, W. Fritsche // Chemosphere. - 1996. - N 33. - P. 203-215.

15. Afanasev I. Analysis of interpolation methods to map the long-term annual precipitation spatial variability for the Republic of Bashkortostan, Russian Federation / I. Afanasev, T. Volkova, A. Elizaryev, A. Longobardi // WSEAS Transactions on Environment and Development. - 2014. -Vol. 10, N 1. - P. 405-416.

References

1. Elizarev A. N., YusupovT. R. & ElizarevaE. N. Prognozirovanie razlivov nefteproduk-tov pri zheleznodorozhnykh avariyakh [Forecasting oil product spillages in railway accidents]. Bulletin of Scientific Research Results, 2016, issue 3-4

2. Elizarev A. N., Gabdulkhakov R. R. & Akhtyamov R. G. Metodika operativnoy ocenki riska vozniknoveniya chrezvychaynoy situacii na obektakh nefteproduktoobespecheniya v zone proyavleniya karstovykh processov [Methods for immediate emergency risk assessment for oil product supply facilities in the karst process occurrence area]. Oil and Gas Business, Electronic journal, 2012, vol. 10, no. 1, pp. 124-131.

3. Titova T. S., Akhtyamova R. G. & Bukharbaeva G.A. Sovershenstvovanie podkhodov k ocenke posledstviy razgermetizacii podvodnykh perekhodov magistralnykh nefteprovodov [Improved approaches to evaluating the consequences of oil trunk pipe line submerged crossing loss of containment]. Occupational Safety in Industry, 2016, no. 3, pp. 47-51.

4. Ezhelev Z. S. Svoystva i rezhimy rekultivirovannykh posle razlivov neftipochv Usin-skogo rayona Respubliki Komi [Characteristics and conditions of soils remediated following oil spillages in Usinsky district, Komi Republic]. Ph. D. thesis in Biology. Moscow, Lomonosov Moscow State University Publ., 2015, 142 p.

5. Ravanbakhsh Shirdam, Zand Ali Daryabeigi, Bidhendi Gholamreza Nabi, Mehrdadi Nasser. Phytoremediation of hydrocarbon-contaminated soils with emphasis on the effect of petroleum hydrocarbons on the growth of plant species. Phytoprotection, 2008, no. 89 (1), pp. 21-29.

6. Elizareva E. N., Yanbaev Yu.A. & Kulagin A. Yu. Rasteniya dlya fitoremediacii vody, zagryaznennoy tyazhelymi metallami [Plants for phytoremediation of water contaminated with heavy metals]. Vestnik of the Orenburg State University, 2016, no. 3

7. Elizareva E. N., Yanbaev Yu. A. & Kulagin A. Yu. Osobennost vybora fitoremedia-cionnykh tekhnologiy ochistki pochv i stochnykh vod ot ionov tyazhelykh metallov [Specifics of selecting phytoremediation technologies for cleaning soils and wastewater from heavy metal ions]. Bulletin of Udmurt University, Series Biology, Sciences of Earth, 2016, vol. 26, no. 3, pp. 7-19.

8. Kamath R., Rentz J.A., Schnoor J. L. & Alvarez P. J. J. Phytoremediation of hydrocarbon-contaminated soils: principles and applications. Studies in Surface Science and Catalysis, 2004, vol. 151, pp. 447-478.

9. Khalilova D. I. & Elizareva E. N. Ekonomicheskaya effektivnost metodov likvidacii neftyanykh zagryazneniy pochvy [Economic efficiency of the methods for eliminating soil oil contamination]. Young Scientists' Forum, 2016, no. 4

10. Qixing Z., Zhang C., Zhineng Z., Weitao L. Ecological Remediation of Hydrocarbon Contaminated Soils with Weed Plant. Journal of Resources and Ecology, 2011, no. 2 (2), pp. 97-105.

11. Schnoor J. L., Licht L. A., Mccutcheon S. C., Wolfe N. L. & Carriera L. H. Phytoremediation of organic and nutrient contaminants. Environ. Sci. Technol., 2005, no. 29, pp.318-323.

12. Gatliff E. G. Vegetative remediation process offers advantages over traditional pump-and-treat technologies. Remediation, 1994, no. 8, pp. 343-352.

13. Wiltse C. C., Rooney W. L., Chen Z., Schwab A. P. & Banks M. K. Greenhouse evaluation of agronomic and crude oil-phytoremediation potential among alfalfa genotypes. J. Environ. Qual., 1998, no. 27 (1), pp. 169-173.

14. Gunther T., Dornberger U. & Fritsche W. Effects of ryegrass on biodégradation of hydrocarbons in soil. Chemosphere, 1996, no. 33, pp. 203-215.

15. Afanasev I., Volkova T., Elizaryev A. & Longobardi A. Analysis of interpolation methods to map the long-term annual precipitation spatial variability for the Republic of Bashkortostan, Russian Federation. WSEAS Transactions on Environment and Development, 2014, vol. 10, no. 1, pp. 405-416.

ХАЛИЛОВА Диана Ильдаровна - студент, di.halilowa@mail.ru; *ЮНУСОВА Дина Мансуров-на - студент, yunusova.iubp@mail.ru (Башкирский государственный университет).

© Халилова Д. И., Юнусова Д. М., 2017