Донный модуль для реабилитации загрязненных участков морского дна

Комплексное освоение морских нефтегазовых месторождений связано с существенным риском нанесения вреда окружающей среде. Для обеспечения экологической безопасности необходима единая, последовательная техническая и экологическая политика, проводимая добывающей компанией, а также консолидация усилий предприятий отрасли и государства. [1].
При выбросе нефти в окружающую среду происходит ее контакт с атмосферой или почвенными и природными водами рек и морей. Нефть, разлитая на поверхности водоемов, через год оказывается на дне водоема вследствие сорбции на твердых частицах, а также из-за увеличения плотности [2].
С компонентами нефти происходит ряд физических, физико-химических и биологических процессов и превращений.  В водной среде происходит фракционирование нефти и нефтепродуктов, в результате которого они могут существовать в нескольких агрегатных состояниях:
молекулярная пленка;
пленка толщиной до нескольких мм (слик);
эмульсия «вода в нефти» или «нефть в воде»;
донные отложения.
Состав углеводородов донных осадков отражает процессы сорбции и биотрансформации при седиментации. Седиментация - процесс, связанный с тем, что труднорастворимые остатки нефти по своему удельному весу приближаются к плотности воды или превышают ее и в этом случае они тонут [3].
В отношении природоохранных мероприятий, направленных на охрану водных объектов или их частей и экологическую реабилитацию, в Регламенте формирования бюджетных проектировок Федерального агентства водных ресурсов на 2017 год и на плановый период 2018 и 2019 годов указано следующее: «Рабочие проекты по указанному направлению могут включать такие виды работ как расчистка водного объекта от донных отложений, извлечение объектов механического засорения водных объектов, в т.ч. крупногабаритных (за исключением элементов гидротехнических сооружений (ГТС) и затопленных судов), аэрация водных объектов, альголизация, иные виды биологической рекультивации водных объектов, создание биоплато, биогенное закрепление береговых откосов и береговой полосы в пределах береговых защитных полос, в т.ч. залужение и закрепление кустарниковой растительностью, включая использование георешеток и геотекстильных материалов, ликвидация в пределах береговых защитных полос накопленных загрязнений [4].
Выполнение мероприятий по рекультивации водных объектов предусмотрено только в случае разлива нефти и нефтепродуктов. Согласно п. 8 Правил организации мероприятий по предупреждению и ликвидации разливов нефти и нефтепродуктов на территории Российской Федерации (утв. постановлением Правительства РФ от 15 апреля 2002 г. N 240) должны быть выполнены мероприятия по ликвидации последствий разливов, при этом указанные работы могут считаться завершенными при достижении допустимого уровня остаточного содержания нефти и нефтепродуктов (или продуктов их трансформации) в почвах и грунтах, донных отложениях водных объектов [5].
Рекультивация - мероприятие практическое и требующее затрат, и если для рекультивации на суше вопрос ясен, то для поверхностных водных объектов (в том числе и дно поверхностных водных объектов, независимо от их глубины) соответствующее законодательство и методики еще не разработаны.
Очевидно, что стабильное функционирование природной экосистемы возможно лишь при сохранении условий воспроизводства биоресурсов. Это условие может выполняться конструированием искусственных систем, обеспечивающих максимальную скорость реабилитации нарушенного участка.  Экологический баланс экосистемы определяется соотношением его приходной и расходной частей и базируется на принципах сохранения вещества и энергии. Объем компенсационных мероприятий определяется через продукционные характеристики трофодинамических звеньев, которые следует создать для того, чтобы интегральный баланс экосистемы стал равен ее первоначальному балансу. Методологическая сущность этого приема состоит в необходимости нахождения мер по регулированию функциональной устойчивости природных экосистем с помощью искусственных мероприятий или устройств. Такой прием достаточно широко применяется в практике восстановительного природопользования, в практике морепользования этот прием пока еще не нашел своего применения. Поэтому основой компенсационных мероприятий необходимо принять восстановление первичной продуктивности донных ландшафтов, создание условий возобновления обитания животных и приведение энергетического баланса в состояние, близкое к исходному [6].
Из всех известных способов и методов ликвидации загрязнений нефтепродуктами водной сферы следует выделить четыре основных способа: механический, осуществляемый с помощью все возможных конструкций и устройств для сбора нефти; физико-химический, основанный на использовании физико-химических явлений; биологический — с помощью микробиологических культур и гидробионтов-фильтраторов и фото химический, проходящий под действием солнечного света и катализаторов [7].
Не все методы борьбы, в том числе и широко применяемые в настоящее время, удовлетворяют требованиям охраны природы. Так, широкое применение детергентов при ликвидации аварийных разливов нефти часто наносит дополнительный, а порой и больший вред морской флоре и фауне. Поэтому для охраны биологических ресурсов моря в условиях антропогенного прессинга нужны новые безопасные методы очистки морской среды.
Существует способ биологической очистки нефти и нефтепродуктов, включающий применение нефтеокисляющих бактерий (Рsеudоmоnаs) [8].
Недостатком данного способа является то, что процесс очищения морской среды протекает слабо, нефтепродукты долго остаются в воде и очень быстро распространяются по     акватории.
Известен способ очистки морской среды от нефти, нефтепродуктов и других загрязнителей фильтрующими гидробионтами, а именно черноморской мидией. Мидии помещают в места разлива нефти. Фильтруя морскую воду, мидии освобождают ее от эмульгированной нефти [9].
Недостатком данного способа является его низкая эффективность, т.к. морские беспозвоночные разбросаны хаотично. Нефтепродукты не локализованы и поэтому очень быстро распространяются по акватории, кроме этого мидии улавливают лишь некоторые фракции нефти и тем самым затрудняется очистка морской среды.
Известно изобретение №2 570 460 Опубликовано: 10.12.2015 Бюл. № 34 Способ очистки донных отложений водоемов от нефти и нефтепродуктов и устройство для его осуществления. [10] Изобретение относится к области охраны окружающей среды и предназначено для очистки природных и искусственных водоемов, дно которых загрязнено нефтью и нефтепродуктами. Способ очистки донных водоемов от нефти и нефтепродуктов включает отделение нефти и нефтепродуктов от донных отложений, подъем нефтесодержащей смеси на поверхность водоема и сбор нефти и нефтепродуктов с последующей их утилизацией.
Недостаток данного способа состоит в том, что он не содержит компенсационных мероприятий, которые следует создать для того, чтобы интегральный баланс экосистемы стал равен ее балансу до начала технологического вмешательства.
Известен «Способ биологической очистки морской среды», изобретение № 2 186 035, опубликовано:2002.07.27 [11]. Способ биологической очистки морской среды, включающий помещение морских беспозвоночных в места загрязнения воды нефтью, нефтепродуктами, органическими и минеральными веществами, отличающийся тем, что в места загрязнения воды дополнительно помещают морские макрофиты, причем размещают их вокруг источника загрязнения на установках для культивирования морских гидробионтов в поверхностном и/или придонном слое воды, и/или по всей толще, в шахматном порядке, в 6 и более рядов, при этом на внутренних рядах размещают медленнорастущие и взрослые особи быстрорастущих макрофитов и морских беспозвоночных, а на средних и внешних рядах - молодые особи морских гидробионтов.
Известен способ восстановления бентосных сообществ баренцевоморской береговой зоны после проведения дноуглубительных работ. Изобретение №2511300, опубликовано 10.04.2014. бюллетень №10, выбрано нами в качестве прототипа [12].
Изобретение относится к способам формирования донных морских биоценозов после проведения дноуглубительных работ. Способ предусматривает исследование условий обитания, численности, видового многообразия, границ распределения бентоса на месте проведения дноуглубительных работ, определение средств компенсации предположительного ущерба и оптимального периода проведения работ. После проведения дноуглубительных работ на участках, условия обитания на которых оптимальны для развития мидии и других восстанавливаемых видов бентоса, с глубиной 5-10 м, с хорошим водообменом и наличием на наиболее близком расстоянии банок естественных поселений мидий устанавливают искусственные биотопы.
Недостатками данных способов является то, что локализация морских гидробионтов и морских макрофитов в зоне антропогенного воздействия представляет собой трудоемкий и затратный метод, восстановление нефтезагрязненных почв растягивается на длительный срок, не обеспечивая устранения уже нанесенного ущерба. В результате полная рекультивация нарушенной почвы остается на долю естественных факторов; процесс становится длительным и ненадежным.
Технической задачей предлагаемой полезной модели является создание донного модуля как искусственной экосистемы, обеспечивающей максимальную скорость реабилитации нарушенного участка, которая компенсирует загрязненный участок морского дна, создаст условия для реабилитации первичной продуктивности морского донного биоценоза и возобновления обитания животных, приведет энергетический баланс экосистемы к исходному состоянию.
Технический результат выражается в компенсации (полной замены) донным модулем загрязненных участков морского дна, где формируется заново разрушенный донный биоценоз, стимулируется восстановление бентосного сообщества, происходит оздоровление пораженного участка морского дна имплантацией искусственным субстратом донного модуля, что обуславливает восстановление природного донного биоценоза, с сохранением энергетического баланса экосистемы, безущербно и нелимитированно во времени  давая возможность осуществляться естественным природным процессам  деструкции нефти, трансформации в результате окисления, биодеградации и фотохимическим процессам.
Решение технической задачи осуществляется с использованием полезной модели «Донный модуль для реабилитации загрязненных участков морского дна».
Предлагаемая полезная модель относится к устройствам для реабилитации антропогенного воздействия на морскую среду и формирования донных морских биоценозов на загрязненных участках морского дна тяжелыми углеводородами в районах нефтегазовых разработок.
На фиг. 1 представлен общий вид полезной модели «Донный модуль для реабилитации загрязненных участков морского дна», на фиг. 2 изображен вид фронтального среза модели и на фиг. 3 – сетчатый короб.  Донный модуль содержит несущий каркас (1), сетчатый короб (2 на фиг. 1), искусственный субстрат (3,4), грузы (5) и буи (6) для поддержания плавучести конструкции. Несущий каркас представляет собой пространственную решетку, спаянную из металлопластиковых перфорированных труб, используемых для водопроводной питьевой воды, размером нижнего и верхнего основания по меньшей мере 105х105см и высотой 55см.  Каждая грань каркаса имеет продольные перемычки (так же из труб) для усиления каркаса, а верхняя грань-крышка выполнена съемной.  Сетчатый короб (фиг. 3) размером по основаниям по меньшей мере 100х100см и высотой 50см связан из полотен пластиковой сетки ячеей не менее 2см. Соединения полотен выполнено полипропиленовым жгутом (7), продетым через ячеи. Короб наполнен субстратом, состоящим из двух компонентов: обрезков металлопластиковых перфорированных труб (4) для питьевой воды разного диаметра, но не менее 2см и разной длины, но не более100см, и сетного полотна (3) из капроновой дели ячеей от 1 до 3см, установлен в несущий каркас и закрыт крышкой, которую так же привязывают полипропиленовым жгутом. Наполнение короба осуществлено следующим образом: сначала уложен субстрат из пяти слоев сетного полотна (3), затем слой трубок (4), чередуя, таким образом, короб наполнен до верха с последним слоем из сетного полотна. По периметру верхнего основания несущего каркаса на выступающих вертикальных трубках установлены буи (5) для обеспечения плавучести конструкции. Фиксация модуля на дне водоема выполнена посредством крепления к нему грузов (5). Груз, представляющий собой куб 20х20х20см с вмонтированным ушком (8) для троса (9), выполненный из армированного бетона, привязан к несущему каркасу в каждом углу полипропиленовым тросом длиной не более 30см, что обеспечивает расстояние между модулем и поверхностью дна, сохраняет проточность и не препятствует естественным процессам деструкции нефти и иных загрязнений участков морского дна.
Количество используемых модулей зависит от формы и площади поражения морского дна. Их располагают так, чтобы вся нарушенная площадь оказалась под донными модулями.
Конструкция модуля опускается на пораженный участок морского дна, где начинает обрастать гидробионтами-фильтраторами и заселяться представителями донного биоценоза, обеспечивает благоприятный гидролого-гидрохимический режим среды обитания организмов формирующегося на нем сообщества за счет прозрачности и проницаемости конструкции и ее расположения в толще воды, в сочетании с максимальной площадью активных поверхностей для перифитона и значительным приемным потенциалом по отношению к аборигенным видам инфауны, поселяющихся в пористом материале субстрата из перфорированных трубок и сетного полотна, тем самым компенсируя поврежденный участок морского дна, заново создавая кормовую цепочку и восстанавливая биоценоз в целом.
Отсутствие сплошных поверхностей и наличие зазора между модулями и поверхностью дна дает возможность осуществляться естественным природным процессам деструкции нефти, трансформации в результате окисления, биодеградации и фотохимическим процессам, позволяет потокам воды проходить сквозь сооружение, омывая субстраты с населяющими их организмами, обеспечивая последних питанием и удаляя продукты жизнедеятельности.
Сквозная конструкция и пористая поверхность ее элементов снижает гидродинамическую нагрузку на сооружение от волнового воздействия и течения за счет уменьшения сопротивления и обтекания потоком воды.
Таким образом, описанная конструкция донного модуля обеспечивает достижение технического результата, заключающегося формировании разрушенного донного биоценоза заново на субстрате донного модуля, стимулировании восстановления бентосного сообщества в оздоровлении пораженного участка морского дна имплантацией искусственным субстратом донного модуля, что обуславливает восстановление природного донного биоценоза, с сохранением энергетического баланса экосистемы, безущербно и нелимитированно во времени  давая возможность осуществляться естественным природным процессам  деструкции нефти, трансформации в результате окисления, биодеградации и фотохимическим процессам.
Экспериментальный вариант предлагаемой полезной модели «Донный модуль для реабилитации загрязненных участков морского дна» выполнен в ООО «НИИ проблем Каспийского моря» и размещен в Северной части Каспийского моря в районе разработки месторождения им. В. Филановского.
Литература.
1. Обеспечение экологической безопасности при освоении морских нефтегазовых месторождений. И. А. Заикин, начальник департамента промышленной безопасности, экологии и научно технических работ ОАО «ЛУКОЙЛ»,2011.
2. Устранение разливов нефти. Рекультивация земель после загрязнения          нефтепродуктами.
https://www.pkvertikal.com/news/2014/ustranenie_razlivov_nefti_rekultivaciya_zemel_posl.htm.
3. Биохимическое поведение нефти в водной среде.
https://uchebnikfree.com/ekologiya/biohimicheskoe-povedenie-nefti-vodnoy-54453.html
4. Постановление Правительства РФ от 5 февраля 2016 г. N 79 "Об утверждении Правил охраны поверхностных водных объектов".  Водный Кодекс Российской Федерации. Приказ Федерального агентства водных ресурсов от 23 июня 2016 года N 123 Об утверждении регламента и организационных мероприятий по формированию бюджетных проектировок Федерального агентства водных ресурсов на 2017 год и на плановый период 2018 и 2019 годов.
5. РД 52.24.609-2013 Руководящий документ. Организация и проведение наблюдений за содержанием загрязняющих веществ в донных отложениях водных объектов. Дата введения 2013-09-02.
6. Преображенский Б.В., Морские угодья и как мы ими распоряжаемся. http://arktikfish.com/index.php/morskaya-i-okeanicheskaya-akvakultura/384-morskie-ugodya-i-kak-my-imi-rasporyazhaemsya.
7. Методы удаления нефтезагрязнений. Методы ликвидации нефтяных загрязнений с водной поверхности и грунта.
https://helpiks.org/8-14312.html
8. Миронов О. Г., К вопросу о самоочищении морской воды от нефтепродуктов. - Гидрологический журнал, 1969, 4, с. 89-93.
9. Миронов О. Г., Биологические ресурсы моря и нефтяное загрязнение. - М., 1972, с 79-81
10. Изобретение №2 570 460 Опубликовано: 10.12.2015 Бюл. № 34.
11. Изобретение № 2186035, опубликовано:2002.07.27
https://vuzlit.ru/475145/sposob_biologicheskoy_ochistki_morskoy_sredy.
Изобретение №2511300, опубликовано 10.04.2014. бюллетень №10.