книги / Нефтяные сорбенты
..pdfГЛАВА 1
НЕФТЕЗАГРЯЗНЕНИЯ.
ДИАГНОСТИКА
1.1.Оценка проблемы
Впоследнее время, в связи с резким ухудшением экологи ческой обстановки на всей Земле, решение проблем защиты ра стительного и животного мира от техногенного воздействия ста новится настоятельной необходимостью. Немаловажной состав ляющей этой большой проблемы является ликвидация послед ствий разливов нефти в результате аварийных ситуаций раз личного масштаба и попадания нефти и нефтепродуктов в вод ную среду. Расчеты, выполненные в 1974 г., показали, что в начале 70-х годов в Мировой океан по различным причинам ежегодно поступало до 10... 12 млн т нефти [174]. По оценке Национальной академии наук США в конце 70-х годов (по дан ным 1980 г.) ежегодно в Мировой океан и моря попадало около 3,2 млн т углеводородов нефтяного происхождения [205]. По данным ООН ежегодное поступление нефти в моря и океаны
оценивается в 6...7 млн т [77], а по мнению авторов [77] - в 10 млн т нефтепродуктов.
Хотя приведенные цифры несколько отличаются по своим аб солютным значениям, все же потери углеводородного сырья явля ются величиной одного порядка и исчисляются миллионами тонн.
По характеру возникновения загрязнения подразделяют на естественные и антропогенные. Естественные загрязнения воз никают в результате природных процессов, вне всякого влия ния человека на эти процессы, антропогенные - в результате хозяйственной деятельности человека.
Естественные загрязнения обусловлены, например, проса чиванием нефти на некоторых участках морского дна, за счет
эрозионных процессов. Естественные выходы нефти приуроче ны к крупным нефтеносным районам, расположенным на кон тинентальном шельфе у берегов Южной Калифорнии, в Мек сиканском и Персидском заливах, Карибском море. Поступле ние нефти из этих источников в водную среду незначительно и оценивается приблизительно в 0,5 млн т нефти в год [168].
Основную массу загрязнений Мирового океана (поряд ка 95 %) поставляют источники антропогенного происхождения. Различают несколько групп источников загрязнения Мирового океана [77]:
-морские - морской транспорт, военные корабли, суда раз личного назначения, трубопроводы, установки и устройства, ис пользуемые при разведке и разработке ресурсов морского дна и его недр;
-наземные - реки, озера и другие водные системы, куда загрязняющие вещества попадают с грунтовыми водами, а так же в результате сброса сточных вод с различных береговых объектов;
-атмосферные - различные промышленные предприя тия, транспортные средства и другие объекты, откуда могут про исходить выбросы в атмосферу углеводородных соединений;
-военные загрязнения - возникают в результате военных конфликтов и войн.
Морские загрязнения. К одному из основных источников нефтяных загрязнений морской среды следует отнести морс кой транспорт и, прежде всего, танкерный, общая вместимость которого характеризуется величиной более 120 млн брутто-ре- гистровых тонн, что свыше одной трети вместимости всех мор ских транспортных средств. В мире задействован гигантский танкерный флот, порядка 230 судов, грузоподъемностью от 200 до 700 тыс. т каждое. Они представляют колоссальную потен циальную опасность для вод Мирового океана, поскольку из-за аварий на танкерах в моря и океаны поступает примерно 5% всей перевозимой нефти [77]. К наиболее значимым и крупным авариям на танкерном флоте с 1960 по 2000 год можно отнести [60, 90, 109, 202].
В 1967 г. у берегов Великобритании сел на мель танкер «Тоггеу Canyon». В море вылилось почти 123 тыс. м3 нефти. Для очистки побережья использовано 10 тыс. тонн химических детергентов, применение которых оказалось более вредным для природы, чем сама нефть.
Танкер «Metula» потерпел аварию у южного побережья Чили в 1974 г., в результате чего в море попало 53,5 тыс. т легкой аравийской нефти. Никакие специальные методы очис тки не применялись. За ходом естественной самоочистки на блюдения проводились в течение 12 лет.
В марте 1978 г. при аварии танкера «Amoco Cadis» у бере гов провинции Бретань (Ф ранция) в море было вылито 233 тыс. т нефти и загрязнено 818 миль береговой линии. Ос татки выветрившейся нефти проявлялись длительное время (даже через 13 лет) на участках с различной степенью загряз ненности —от умеренных и до сильно загрязненных.
Впорту Клайпеды в 1981 г. в результате аварии из танкера «Globe Asimi» в воду попало 17 тыс. тонн мазута.
У побережья Аляски в 1989 г. налетел на рифы танкер «Exxon Vodez». В море вытекло 40 тыс. м3 нефти. На сбор и ликвидацию последствий аварии компания «Exxon» привлекла около 1400 судов, 84 самолета и 150 км боновых заграждений, израсходовала 100 тыс. м3 топлива. В пиковые периоды расход холодной воды составлял как в городе с населением в 1 млн чел,
атеплой - как в 500-тысячном городе. Понесенные затраты определены величиной в 2,5 млрд долларов. Восстановление природных ландшафтов Аляски на месте катастрофы не наблю далось и через 12 лет.
Вноябре 2002 г. у берегов Испании трагически заверши лась катастрофа нефтеналивного танкера «Prestige». Катастро фа могла бы быть предотвращена, если бы судно было оборудо вано двойным корпусом, как это предусмотрено международ ными соглашениями. Отсутствие двойного корпуса привело к снижению общей прочности, танкер развалился на две части и затонул. В море попало свыше 20 тыс. т мазута, а шлейфовый след от него наблюдался на протяжении 17 километров. Боль
шая часть опасного груза надолго осталась на дне Атлантики, где глубина океана достигает 3500 м. Как надеются экологи, при низкой температуре воды мазут в танках застынет.
Огромное количество нефти попадает в море в результате сброса с нефтеналивных судов промывочных, балластных и льяльных (трюмных) вод, а таюке потерь при погрузке и раз грузке танкеров. По этим причинам в морях и океанах ежегод но оказывается около 3 млн т нефти [77]. При этом в основном загрязняются территории портов, припортовые акватории, при брежные районы и районы интенсивного судоходства.
Еще 350 тыс. т нефти оказывается в море при перевозках различных грузов и в результате аварий, не связанных с нефтя ной промышленностью. В 1985 году при добыче нефти на мор ских площадях около 50 тыс. т вытекло в море, что составило лишь 1,5 % общего объема попавшей в море нефти.
Наземные загрязнения. Важное значение имеют не только объемы и состав нефтяных загрязнений, но и форма их поступ ления в гидросферу. Обычно рассматривают варианты поступ ления нефти в виде нефтяных потоков или сликов, которые за тем трансформируются со временем в эмульсии и другие фор мы. Это вероятно только при аварийных разливах нефти. Вопре ки широко распространенному мнению, свыше 75 % нефтяных загрязнений, преимущественно в эмульгированном состоянии, поступают в гидросферу при безаварийных ситуациях с нефте содержащими водами, объемы которых составляют сотни мил лиардов кубических метров в год, а содержание в них «нефти» часто превышает ПДК в сотни тысяч раз [70]. Поступление не фтяных загрязнений в гидросферу происходит за счет добычи и хранения нефти и нефтепродуктов, эксплуатации оборудования нефтеперерабатывающих, нефтехимических, машиностроитель ных заводов и производств, автомобильного транспорта и т.п. По различным оценкам, в процессе добычи, подготовки и транспор та теряется от 1 до 16,5 % добываемой нефти и продуктов ее переработки. Из них до 20 % нефти попадает в водоемы [190].
В городах средней полосы с каждого гектара площади в год отводится 1000...3000 м3 дождевых стоков, содержащих от 7 до
20 мг/л нефтепродуктов. Особенно неблагополучны в отноше нии нефтяных загрязнений мегаполисы. Наконец, все больше получает огласку состояние дел на участках территорий, где загрязнение нефтепродуктами многократно превышает ПДК, но считается само собой разумеющимся. Это АЗС, нефтебазы, аэро дромы, военные части и базы, под которыми все чаще находят огромные «линзы» нефтепродуктов [70]. Так, по данным [54], только в районе г. Энгельса и г. Ейска площадь загрязненных нефтепродуктами земель достигает 3,1 тыс. га, а под г. Энгель сом на глубине 0,8...5,27 м, по оценкам авторов, находится до 25 тыс. м3 керосина.
Атмосферные загрязнения. Большое количество нефтепро дуктов попадает в океанические бассейны из атмосферы. На пример, двигатели внутреннего сгорания, которыми оснащены различные транспортные средства, выбрасывают в воздух в год более 50 млн т различных углеводородов [77], которые после конденсации выпадают вместе с дождями и т.п.
Военные загрязнения. В результате войны в январе-фев рале 1991 г. в Персидский залив попало от 500 тыс. до 1 млн т нефти, главным образом с месторождения Меш-АЬтасй (Ку вейт). Загрязнение береговой полосы произошло на протя жении 650 км - от иракско-кувейтской границы до полуост рова Абу-Али (Саудовская Аравия) [201, 202], а ширина по лосы загрязнения составила от нескольких метров до сотен метров. С поверхности моря нефть была собрана уже в мае 1991 г., однако берег еще долгое время оставался загрязнен ным из-за превращения нефти в смолистую и асфальтопо добную массу.
Под воздействием приливов и отливов происходило пере мешивание загрязненных частиц песка, застаревшей нефти и продуктов ее деградации. Во время отливов вода, отступающая с береговой полосы с большим уклоном и содержащая загряз ненные частицы, уходя с берега, а затем под влиянием течений переносила их в другие места побережья. В результате проис ходило вторичное загрязнение как водной поверхности, так и береговой полосы.
ВРоссии из-за военных конфликтов потоки нефтепродуктов по ступают с территории Чечни через Дагестан в Каспийское море [55].
Врезультате попадания нефти в водную среду образуются зоны устойчивого скопления углеводородов.
Наиболее неблагополучное положение характерно для зак рытых морей. Так, например, в акватории Черного моря концен трация нефтяных углеводородов в некоторых участках опреде лена в пределах 0,3...0,6 мг/л [108]. На долю мелкого Балтийско го моря, площадь которого составляет лишь 0,1 % поверхности Мирового океана, приходится до 3 % суммарного нефтяного заг рязнения. В Балтийское море ежегодно поступает из разных ис точников до 100 тыс. тонн нефти и нефтепродуктов [100]. Доми нирующая форма существования и миграции загрязняющих ве ществ нефтяного происхождения в водах Балтийского моря, по рядка 64 %, распределена в объеме вод, 17 % находится в истин но- и коллоидно-растворенном состоянии, 0,1 % сорбирована на грубой взвеси, 15 % находится в составе донных осадков, 0,02 % -
втонком поверхностном микрослое вод и лишь 3,6 % - в виде нефтяной пленки на водной поверхности [70].
ВРоссии потери нефти в результате нарушения целостности магистральных и внутрипромысловых трубопроводов достигают огромных величин и колеблются, по оценкам разных исследовате лей, в довольно широком диапазоне. Так, исследования проведен ные И.И. Мазуром, показывают, что потери нефти в результате ава рийных проливов составляют около 3 % от годовой добычи нефти или примерно 9 млн т в год [91]. В еще большую величину оцени вает потери нефти В.Ж. Аренс, которые, по его мнению, достигают порядка 25 млн т в год [53], хотя по официальным источникам они составляют всего 4,8 млн т [170]. С. Островский, ссылаясь на дан ные Международного социально-экологического союза, считает, что потери нефти составляют около 4,5 млн т в год [175].
Основные потери нефти в РФ наблюдаются в системе тру бопроводного транспорта. При транспортировке нефти по внутрипромысловым и магистральным продуктопроводам на всей территории России ежегодно отмечается около 40 тыс. аварий, из которых до 40 аварий - крупные. Согласно статистическим
данным отказов, происходящих на эксплуатируемых нефтепро водах, отмечается, что из всей совокупности отказов около 18 % приходится на отказы со значительным экологическим ущер бом [196]. При этом среднегодовой ущерб на один отказ магис трального нефтепровода составляет: загрязнение нефтью вос требованных сельскохозяйственных земель —4 га; попадание нефти в водоемы, имеющие промысловое значение, - 350 м3.
Магистральные нефтепроводы представляют собой геотех нические сооружения значительной линейной протяженности с высоким уровнем энергонапряженности эксплуатируемых объек тов, пожароопасностью транспортируемых продуктов, разноха рактерностью природных ландшафтов, геолого-минералогичес кими и другими факторами. В связи с этим и со значительным объемом транспортируемой нефти каждая авария в этой системе выливается в экологическую катастрофу регионального значе ния. Наиболее серьезные аварии произошли: в апреле 1992 г. авария магистрального коллектора Харьягинского месторожде ния (вылилось 20 тыс. т); летом 1994 года в Усинском районе Республики Коми на участке «Возей-Головные сооружения» (по разным оценкам от 100 до 200 тыс. тонн нефти); в 1995 г. на магистральном нефтепроводе Туймазы-Омск-Новосибирск с по паданием нефтепродуктов в р. Белая (около 460 т); на насосной нефтепровода Самара—Лисичанск (>2000 т). В июне 1996 г. око ло 400 т нефти вылилось в озеро Оленье вблизи г. Североморска Мурманской области в результате порыва нефтепровода. В ре зультате поверхность озера оказалась покрыта пленкой нефти толщиной 10 мм на площади более 16 тыс. м2. В 1996 г. из иефтепродуктопровода Туймазы-Омск-Новосибирск в р. Белая по пало 1000 т нефти, причем 10...15 % нефти успело образовать трудноудаляемые квазиколлоиды с водой [54]. В 1996 г. из неф тепровода Тихорецк-Лисичанск в р. Крепкая и на поверхность рельефа местности вылилось более 2000 т нефти [175].
На территории РФ расположено более 49 тыс. км магист ральных трубопроводов с 404 насосными станциями и резерву арными емкостями на 13,2 млн м3 нефти (1999 г.). При этом из них 17% нефтепроводов служат более 30 лет, 28% - от 20 до
Следует учитывать, что проблема сбора разлитой нефти яв ляется не только важным социальным аспектом охраны окру жающей среды, но и одним из существенных резервов для вос полнения энергетических ресурсов.
Какими бы серьезными экологическими катастрофами ни были вышеупомянутые аварии в системе трубопроводного транс порта, они все же являются единичными случаями, хотя и весь ма показательными, поскольку нормальная и стабильная рабо та предприятия как раз и характеризуется этими случайными «узкими местами».
Надежная работа трубопроводов характеризуется аварий ностью. В 1970 г. на 1000 км магистральных нефтепроводов приходилось в среднем 3,87 аварий в год, а к периоду 1990— 1995 гг. эта величина снизилась до 0,21...0,25 аварий [94]. В 1993 году аварийность находилась на уровне 0,24 [54], а в 1995 году - 0,3 аварии на 1000 км (Г. Шмаль, 1996). В 1999 г. пока затель аварийности нефтепроводов, по данным Управления эко логии М интопэнерго РФ , составил всего 0,06 аварии на 1000 км [167]. По сведениям весьма компетентных организаций «ССЖСААУЕ» и «ЕвЮ » аварийность на нефтепроводах в стра нах Западной Европы в течение периода 1984-1990 гг. состави ла 0,8 на 1000 км в год, в США - 0,6...0,8, в странах СНГ - 0,33 на 1000 км в год (Г. Шмаль, 1996). Приведенные данные свиде тельствуют о более низких показателях аварийности магист ральных трубопроводов в России по сравнению с аналогичны ми показателями в западных странах.
1.2. Методы обнаружения нефтезагрязнений на водной поверхности
При решении вопросов, связанных с экологической безо пасностью промысловых объектов нефтегазодобывающих пред приятий, первоочередная задача заключается в предупрежде нии и своевременном обнаружении загрязнения окружающей природной среды в результате несанкционированных сбросов и аварийных разливов нефти. Реализация этих задач может быть осуществлена путем регулярного диагностического обследова
ния наиболее опасных технических объектов, своевременного осуществления предупредительных и ремонтно-восстановитель ных работ, экологического состояния природных объектов в зоне деятельности нефтегазодобывающих предприятий.
Диагностику технического состояния нефтепромысловых объектов, ввиду ее достаточной сложности и трудоемкости, вы полняют, как правило, специализированные предприятия.
Нефтегазодобывающие предприятия с целью своевремен ного обнаружения утечек и разливов нефти осуществляют пе риодический осмотр наиболее опасных объектов. Наряду с этим практически повсеместно на опасных объектах, связанных с до бычей, перекачкой, хранением и переработкой нефти и нефте продуктов, внедряются системы параметрической диагностики, которые обеспечивают постоянный контроль за надежностью производственных объектов непрерывно в течение всего пери ода их активной эксплуатации и дискретно позволяют опреде лять возможное место аварийной ситуации.
Для очистки поверхности водоемов от нефтепродуктов не обходимо своевременное обнаружение их загрязненных участ ков. С этой целью используют оперативные дистанционные ме тоды индикации пленочных нефтепродуктов в природных во дах (фотографический, визуального контроля и аэросъемки, пассивный, активный, радиоактивный, радиолокационный), основанные на контрасте электромагнитных свойств пленки нефти и чистой воды. Необходимо отметить, что дистанционный контроль на современном уровне предназначен только для об наружения загрязнения воды пленочными нефтепродуктами. Новые, более совершенные методы индикации осуществляют на основе комплексных исследований, включающих контакт ные и дистанционные методы контроля [195].
В настоящее время предложен ряд дистанционных мето дов контроля, базирующихся на различии оптических, тепло вых и радиоактивных свойств воды, загрязненной нефтепро дуктами, и чистой воды [74].
При разливах нефти поверхностные слои нарушают термо динамическое равновесие, что приводит к образованию темпе