авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 |

Разработка технологии идентификации и мониторинга нефтяных загрязнений

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Одинцова Татьяна Анатольевна

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ИДЕНТИФИКАЦИИ

И МОНИТОРИНГА НЕФТЯНЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ

Специальность 25.00.36 – Геоэкология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Пермь – 2010

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Горный институт Уральского отделения РАН

Научный руководитель: кандидат геолого-минералогических наук,

доцент Бачурин Б.А.

Официальные оппоненты: доктор технических наук

Крысин Н.И.

кандидат геолого-минералогических наук

Фрик М.П.

Ведущая организация: Естественнонаучный институт ГОУ ВПО

«Пермский государственный университет»

Защита состоится «29» апреля 2010 г. в _____ на заседании диссертационного совета Д 004.026.01 при Горном институте УрО РАН по адресу 614007, г. Пермь, ул. Сибирская, дом 78а

факс: (342) 216-75-02; e-mail: bba@mi-perm.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Горного института УрО РАН

Автореферат разослан «29» марта 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Бачурин Б.А.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Загрязнение природной среды нефтью и нефтепродуктами является одной из крупнейших экологических проблем не только топливно-энергетического комплекса, но и других отраслей промышленности. По экспертным оценкам ежегодные потери нефти в России достигают 5% от объема добычи, а потери жидкого углеводородного топлива оцениваются в 0,1-0,5% от его потребления. Это приводит к тому, что, несмотря на осуществляемые природоохранные мероприятия, растет общая площадь загрязненных почв, количество отходов добычи и переработки нефти, формируются многочисленные очаги нефтезагрязнения геологической среды, вплоть до формирования техногенных скоплений в приповерхностной гидросфере. В связи с этим, актуальность работ по совершенствованию методов идентификации и мониторинга нефтяных загрязнений и технологий рекультивации нефтезагрязненных геосистем (НЗГ) не вызывает сомнения.

В Постановлении Правительства РФ № 240 от 15.04.2002 г. определено, что работы по ликвидации последствий разливов нефти, реабилитации загрязненных территорий и водных объектов могут считаться завершенными при достижении допустимого остаточного содержания нефти и продуктов ее трансформации в соответствующих объектах окружающей среды. Данный подход учитывается и во «Временных рекомендациях по разработке и введению в действие нормативов допустимого остаточного содержания нефти и продуктов ее трансформации в почвах после проведения рекультивационных и иных восстановительных работ» (приказ МПР России № 574 от 12.09.2004 г.). Однако практическая реализация данных рекомендаций в большинстве своем сохраняет основной недостаток предыдущих подходов – оценка уровня нефтяного загрязнения производится только с использованием аналитического понятия «нефтепродукты» (НП), отождествляемых с углеводородными (УВ) соединениями, а продукты трансформации нефти по-прежнему остаются за рамками экологического контроля. Весьма слабо изучены и особенности органического загрязнения вод при контакте с нефтью, хотя именно водная фаза выступает в качестве основного транспорта органических поллютантов в сопредельные среды.

Несомненно, что решение этих и ряда других вопросов, направленных на совершенствование технологий идентификации и мониторинга нефтяных загрязнений, должно базироваться на результатах исследования поведения и трансформации нефти в условиях гипергенеза, позволяющих уточнить спектр и экологическую значимость образующихся продуктов ее деградации и выяснить специфику формирования их водорастворимых комплексов.

Цель работы. Разработка научно-обоснованной технологии идентификации и мониторинга нефтяных загрязнений на основе комплексного исследования особенностей их трансформации в природных геосистемах и геологической среде.

Основные задачи

1. Анализ регламентированных методических подходов количественной оценки нефтяных загрязнений и обоснование направлений аналитических исследований, позволяющих повысить эффективность диагностики и экологического контроля данных процессов.

2. Изучение динамики трансформации нефти в почве и водной среде в условиях смоделированных и аварийных разливов нефти.

3. Эколого-геохимическая оценка продуктов деградации нефти и обоснование возможности их использования при идентификации источников органического загрязнения природных геосистем.

4. Разработка технологии мониторинга нефтяных загрязнений для оценки эффективности рекультивации нефтезагрязненных почво-грунтов.

Методы исследований включали геоэкологическое обследование территории нефтяных месторождений и сопряженных с ними ландшафтов Пермского Прикамья и Западной Сибири. Для изучения особенностей геохимической трансформации нефтяных загрязнений проводилось экспериментальное моделирование поведения систем «нефть - почва», «нефть - вода», «нефть - почва - вода», «нефть - ПАВ - вода», «нефтяные отходы - вода». Геохимические исследования нефтей и нефтепродуктов, битумоидов органического вещества почв, пород и вод, фито- и зоомассы проводились с использованием современных физико-химических методов анализа, включая люминесцентно-битуми-нологические, хроматографические (тонкослойная, газовая, газожидкостная), спектральные (инфракрасная и ультрафиолетовая области) и хромато-масс-спектрометрические. Обработка полученных данных осуществлялась с использованием методов математической статистики и компьютерных технологий графического представления полученных результатов.

Научная новизна работы

Уточнена модель деградации нефти в почвах, учитывающая многоэтапность и динамичность этого процесса, роль внешних физико-химических и биохимических факторов, контролирующих скорости преобразования отдельных компонентов нефтяной смеси и внедрение устойчивых продуктов трансформации в органо-минеральные комплексы почв.

Оценена геохимическая подвижность продуктов трансформации нефтяных загрязнений, их миграционная способность и устойчивость в природных геосистемах.

Установлены закономерности формирования состава водорастворимых комплексов при нефтяном загрязнении вод и особенности трансформации углеводородной составляющей, приводящие к явному доминированию в составе водорастворенной органики гетероатомных соединений, что позволяет повысить эффективность идентификации источников органического загрязнения гидросферы.

Оценена экологическая значимость продуктов трансформации нефти и обоснована возможность их применения в качестве гигиенических нормативов при контроле качества почв и вод.

Научные положения, выносимые на защиту

1. Эволюция нефтяного загрязнения в условиях гипергенеза приводит к трансформации углеводородной составляющей в комплекс устойчивых битуминозных гетероатомных соединений, в том числе высокого класса опасности (полиароматические оксихиноны, хлорпарафины, фталаты), что требует их учета при контроле допустимого остаточного содержания нефти в почвах после проведения рекультивационных работ.

2. Трансформация нефтяных соединений в водной среде приводит к формированию специфического состава водорастворенной органики, отличительной особенностью которой является не только повышенное содержание углеводородных соединений (НП), но и присутствие широкого спектра устойчивых в водной среде гетеросоединений (спирты, кислоты, эфиры), роль которых со временем становится преобладающей.

3. Технология идентификации и мониторинга нефтяных загрязнений (ТИМОН), представляющая совокупность химико-аналитических приемов и способов диагностики нефтезагрязненных сред объектов окружающей среды и включающая разноуровневый комплекс геохимических показателей количества, состава и свойств органических веществ.

Практическая ценность и реализация результатов работы. Полученные результаты позволяют повысить эффективность экологического мониторинга на нефтяных месторождениях и объектах хранения нефти и товарных нефтепродуктов, контролировать качество работ по ликвидации последствий разливов нефти и реабилитации загрязненных территорий. Созданная в процессе выполнения работы информационная база эколого-геохимических данных, характеризующая селективные показатели нефтяного загрязнения, может использоваться для экспертной оценки неустановленного (спорного) генезиса органического загрязнения природных геосистем.

Результаты исследований использовались при идентификации источников органического загрязнения гидросферы в районах Пермского Прикамья, сопряженных с добычей, хранением и транспортом нефти и нефтепродуктов.

Достоверность выводов. Теоретические выводы подтверждены результатами эколого-геохимических исследований аварийных разливов нефти, геоэкологическим мониторингом нефтяных месторождений и работами по идентификации природы органических загрязнений в районах, сопряженных с нефтедобычей. Представленные выводы укладываются в фундаментальные законы, принципы и существующие теории геологии, геохимии и биогеохимии нефти и органического вещества.

Личный вклад автора заключается в участии в экспедиционных работах, постановке и проведении натурных и лабораторных экспериментов, выполнении химико-аналитических исследований и интерпретация полученных результатов. Автором обоснована методология исследований нефтяных загрязнений, позволяющая проводить идентификацию их источников и контролировать процесс восстановления природных геосистем.

Апробация работы

Результаты исследований докладывались на двадцати Международных конференциях и симпозиумах (Архангельск, 1992; Пермь, 1993, 1997-99, 2003, 2005; Москва-Пермь, 1995, 1997; С.-Петербург, 1996, 1997; Екатеринбург, 1998, 2007; Москва - С.-Петербург, 1999; Москва, 2000; Волгоград - Пермь, 2001; Чита, 2006, 2008; Апатиты, 2006; Казань, 2007); девятнадцати Всесоюзных и Всероссийских конференциях, семинарах, совещаниях (Обнинск, 1983, 1987; Вильнюс, 1984; Звенигород, 1984, 1987; Калининград, 1985; Москва, 1985, 2007; Пермь, 1985, 1993, 2003, 2006; Якутск, 1986; Тбилиси, 1987; Улан-Удэ, 2001; Иркутск, 2003; Оренбург 2005; Миасс, 2008; Сыктывкар, 2009); десятии региональных конференциях (Пермь, 1985,1989, 1990-91, 1994-95, 2003; 2007; 2009; Челябинск, 1989); ежегодных научных сессиях Горного института УрО РАН.

По теме диссертации опубликовано 76 работ, в том числе 3 – в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, общим объемом 191 машинописный лист, содержит 27 таблиц, 40 рисунков и список литературы из 247 наименований.

Работа выполнена в лаборатории геоэкологии горнодобывающих регионов Горного института УрО РАН, сотрудникам которой автор выражает глубокую признательность за поддержку и конструктивную помощь при проведении исследований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первая глава посвящена обзору экологических проблем, связанных с поступлением аварийных и технологических выбросов нефти и нефтепродуктов в окружающую среду. Дана оценка масштабов нефтяного прессинга, основные источники, причины и последствия попадания нефти в природные геосистемы.

Проанализированы основные аспекты поведения нефти в поверхностных условиях и характер ее биодеградации, освещенные в работах Андресон Р.К., Глазовской М.А., Гольдберга В.М., Гребень А.Е., Гусевой О.А., Гурвич Л.М., Зубайдуллина А.А., Ильина Н.П., Калачниковой И.Г., Кодиной Л.А., Немировской И.А., Никифоровой Е.М., Оборина А.А., Пиковского Ю.И., Солнцевой Н.П., Толстограй В.И., Atlas R.M., Brown L.R., Fedorak P.M., Fingas M.F., Hubbard E.H., Raymond R.J., Vestraete W., Wang Z., Westlake D.W.S. и других отечественных и зарубежных исследователей. Рассмотрено влияние нефти на биотические и абиотические компоненты педосферы и гидросферы.

Рассмотрены современные нормативно-методические подходы к определению допустимого остаточного содержания нефти в почвах (ДОСНП) и результаты их практического применения для различных ландшафтно-климати-ческих зон России (АНО «Экотерра» и др.). Отмечается, что, несмотря на значительный прогресс в предложенных методических принципах контроля нефтезагрязнения, при их практическом применении остается основной недостаток предшествовавших подходов – ограничение нормируемых показателей только углеводородными соединениями (НП) и игнорирование продуктов трансформации нефти. Кроме того, практически не рассматриваются особенности растворения этих соединений в водной среде, служащей основным транспортом поллютантов в сопредельные среды и на прилегающие территории.

Во второй главе анализируется нормативная база и методы исследований нефтяных загрязнений. Согласно решениям Комиссии по унификации методов анализа природных и сточных вод стран-членов СЭВ и Международного симпозиума в Гааге (1968) интегральным показателем нефтяного загрязнения являются НП. В аналитическом отношении под НП понимают «неполярные и малополярные УВ (алифатические, ароматические, алициклические), составляющие главную и наиболее характерную часть нефти и продуктов ее переработки» (ГОСТ 17.1.4.01-80). В соответствии с ГОСТ 17.4.2.01-81 данный параметр входит в перечень показателей санитарного состояния почв и гидросферы.

Количественное определение НП регламентировано гравиметрическим, спектральными и хроматографическими методами анализа. Несмотря на многообразие методов определения НП, вопрос их достоверной количественной оценки остается довольно трудной аналитической задачей. Исследования показали отсутствие сходимости при изменении метрологических приемов, что объясняется вариабельностью состава НП, усложняющей зависимости между количеством НП и любым их аналитическим свойством, положенным в основу того или иного метода определения.

Исследования состава НП методом ХМС показало, что в состав данной фракции входят не только углеводородные структуры, но и значительная доля полярных соединений (до 10-37%).

Одним из недостатков количественной оценки нефтяных загрязнений по параметру НП является учет только их углеводородной составляющей. Несмотря на доминирование УВ в составе нефтей, при попадании на дневную поверхность она обогащается гетеросоединениями и смолисто-асфальтеновыми комплексами, большая часть которых не являются объектами контроля и нормирования. По данным ХМС и ТСХ в окисленных нефтях доля О-,S-,Hal-содержа-щих соединений только в метано-нафтеновой фракции (МНФ) составляет почти 48%, а общее содержание смол и асфальтенов достигает 80% и более.

Вторым недостатком данного подхода является игнорирование природного углеводородного фона. Исследования торфяно-болотных отложений, наиболее обогащенных органикой, показало, что содержание НП в них достигает 11,25 г/кг. Несмотря на присутствие в их составе маркеров растительной органики (изоалканы С10-С44 с одним заместителем R=С4-С10; нерегулярные изопренаты С12-С40; циклопентаны и циклогексаны с одним заместителем R=С4-С21; мононафтены С12, С14-С16; биомолекулярные ациклические терпены С22, терпеноиды и стероиды; алифатические и гетероциклические кетоны и поликетоны С3-С29 и др.), однозначное определение их генезиса затруднено.

Полученные данные свидетельствуют, что мониторинг нефтяных загрязнений, основанный на определении массовой доли НП, не позволяет дать реальную оценку эколого-геохимической обстановки и идентифицировать источник загрязнения.

Более эффективным при контроле нефтяного загрязнения является использование низкомолекулярных моноароматических УВ (АrУВ или индекс BTEX). Отсутствие или крайне низкое содержание данных соединений в природном геохимическом фоне почв и вод делает их чуткими сенсорами нефтяного загрязнения, особенно гидросферы, чему способствует и бльшая их растворимость по сравнению с алифатическими и нафтеновыми УВ. Однако эффективность применения данных сенсоров определяется давностью загрязнения: в модельных экспериментах «нефть - вода» уже через 4 месяца контакта эти соединения в воде не обнаруживаются.

Из производных ArУВ в мониторинге нефтяных загрязнений часто используются фенолы («фенольный индекс»). Однако широкое распространение этих соединений в природных геосистемах затрудняет однозначное разделение био- и гео-фенолов и требует для идентификации их генезиса детальных исследований состава ОВ.

Особое место в системе мониторинга нефтяных загрязнений имеют полициклические ArУВ (ПАУ), отличающиеся стойкостью к биохимическим преобразованиям. По данным ХМС основная часть ПАУ представлена спиртами, хинонами и гидроксихинонами, многие из которых, являясь более высокими канцерогенами, чем исходные соединения, не имеют статуса контролируемого показателя.

Проведенные исследования показали, что основой количественной оценки нефтяного загрязнения должна являться битуминологическая составляющая органического вещества (ОВ), которая соответствует аналитическому понятию «остаточное содержание нефти». Схема исследований хлороформенных битумоидов (ХБА), составленная на основе разработок ВНИГНИ, ВНИГРИ, ВСЕГИНГЕО и др., включает: люминесцентно-битуминологический анализ ЛБА (первичная диагностика); тонкослойную хроматографию ТСХ (структурно-групповой состав); газовую хроматографию ГХ (УВГ, бензол и гомологи); газо-жидкостную хроматографию ГЖХ (n-алканы, изопренаты); фотометрию (фенолы, азотистые соединения, ПАВ); инфракрасную спектроскопию (ИКС) (молекулярные структуры); хромато-масс-спектрометрию ХМС (индивидуальный состав). Детальные исследования состава битумоидов позволяют определить установить природу УВ и учесть продукты деградации нефти, что необходимо при контроле процесса восстановления НЗГ и оценке эффективности рекультивационных мероприятий.

Третья глава посвящена разработке научно-методических основ технологии идентификации и мониторинга нефтяных загрязнений почвенных геосистем. Особенности трансформации нефти в почве исследовалось в рамках смоделированных и аварийных разливов на месторождениях Пермского края и Тюменской области.

Экспериментальные площадки с дозированным внесением нефти были заложены в подзонах южной, средней тайги и лесотундры. Геохимические исследования показали, что деградация нефти носит этапный характер, четко отражающийся в спектральных характеристиках алифатических и ароматических УВ.

Первый этап деградации отличается нестабильностью битуминологичес-ких показателей почвы, что объясняется процессами испарения, вымывания, растворения, распределения и закрепления нефтяных структур в почвенном профиле. Особенностью данного этапа является определенная стабильность структурно-группового состава нефтяных битумоидов на фоне снижения их общего содержания, что объясняется включением в процесс деградации всех компонентов нефтяной смеси, трансформирующихся одновременно и взаимосвязанно. Основной реакцией, ответственной за возникновение и развитие деструктивных процессов является окисление.



Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.