Способы борьбы с нефтяным загрязнением окружающей среды

При строительстве скважин нефть и нефтепродукты могут поступать в объекты природной среды в основном с жидкими, полужидкими и твердыми отходами бурения из шламовых амбаров при хранении в них отходов, при ликвидации амбаров, а также при аварийных выбросах нефти и газа в процессе бурения.

Нефть и нефтепродукты в буровых сточных водах могут находиться в виде пленки, эмульсии и в растворенном состоянии. Процессы удаления каждого из указанных видов разлитой нефти не идентичны и представляют определенные трудности. Более сложен процесс удаления эмульгированной нефти, образующейся в результате механических и гидродинамических воздействий при перекачке загрязненных нефтью сточных вод насосными агрегатами, при движении в трубопроводах, различных устройствах и сооружениях буровой. Основной характеристикой эмульсий является дисперсность, которая определяется диаметром капель и удельной межфазной поверхностью, а также устойчивость, зависящая от дисперсности системы, физико-химических свойств эмульгаторов, образующих на поверхности раздела фаз адсорбционные защитные пленки.

Для удаления пленочной нефти и нефтепродуктов с водных поверхностей шламовых амбаров или открытых водоемов требуется использование специальных устройств, дефицитных сорбентов. Однако степень очистки при этом не всегда достаточно высока. Применяют следующие методы ликвидации нефтяных загрязнений водных объектов и почвогрунтов: механические, физико-химические, химические, биохимические.

Механические методы удаления нефти. Существуют различные методы сбора нефти с водной поверхности, начиная от вычерпывания нефти вручную до применения машинных комплексов нефтемусоросборщиков.

Предварительно осуществляют концентрирование и ограждение находящейся на водной поверхности нефти при помощи плавающих бонов. Конструкция бонового заграждения состоит из плавучей, экранирующей и балластной частей. Плавучая часть бона может быть выполнена в виде отдельных поплавков прямоугольного или круглого сечения. Экранирующая часть представляет собой гибкую или жесткую пластину, присоединенную к плавучей части бона и нагруженную для придания устойчивости балластной цепью, трубой или растяжками.

Примером заграждения подводного типа является пневматический барьер, принцип работы которого заключается в создании препятствий на поверхности воды при непрерывной подаче воздуха через перфорированную трубу, уложенную на дно водоема.

Борьба с пролитой нефтью на водоемах требует оборудования, которое может эффективно работать в разнообразных природных условиях, в том числе при наличии плавающего льда и мусора.

Канадская нефтяная ассоциация и ее Общество по борьбе с пролитой нефтью совместно со службой охраны окружающей среды Канады провели ряд экспериментов с дивертором воздушных пузырьков и по разработке устройства, которое способствует сбору нефти с поверхности воды, когда насосы и скорость течения делают невозможным использование плавучих бонов.

Дивертор состоит из отрезков перфорированного шланга или трубы, которые укладывают по дну реки под углом 15 - 30° к течению. Сжатый воздух подается через перфорации из компрессора на берегу. За счет расположения дивертора под утлом нефть клином направляется к берегу, где она может быть собрана ковшом. Сбор плавающей нефти сначала проводили при помощи гибкого шланга из полихлорвинила, но от него отказались и стали использовать оцинкованную стальную трубу. При этом ликвидировалась потребность в якорях, а максимальная рабочая длина достигла 134 м вместо 30.

Дивертор представляет собой оцинкованную стальную трубу диаметром б см и состоит из звеньев, соединяемых замковым механизмом. Его собирают на берегу и устанавливают с помощью лебедки.

Для очистки поверхности водоемов от загрязняющих веществ, в частности от нефти, во Франции разработаны и используются устройства "Циклон".

Установленные по бортам судна, перемещающегося по загрязненной водной поверхности, устройства "Циклон" собирают и сепарируют загрязняющую жидкость. Эта установка может быть смонтирована на судах легкого типа (катерная, моторная лодка, надувная лодка).

К механическим способам следует отнести фильтрование загрязненных вод через сернистые насыпные и намывные фильтры. Простейшим устройством для очистки загрязненных вод является песчаный фильтр, где используется кварцевый песок крупностью 0,5 - 2,0 мм с высотой слоя 1 м. В таких устройствах допускается использование дробленого антрацита, керамзита, керамической крошки. Фильтрация происходит сверху вниз со скоростью 5 - 10 м/ч, остаточная концентрация нефтепродуктов в очищенной воде составляет 10 - 20 мг/л, при начальном ее содержании 40 - 80 мг/л.

Ныне находит применение метод коалесценции нефтепродуктов при фильтровании эмульсий через различные пористые материалы — гранулированный полиэтилен и вспененный гранулированный полистирол.

Физико-химические методы удаления нефти. К ним следует отнести применение адсорбирующих материалов. В качестве адсорбентов применяют пенополиуретан, угольную пыль, резиновую крошку, древесные опилки, пемзу, торф, торфяной мох и т.п. Используют даже солому, которая в зависимости от сорта нефти адсорбирует ее в количестве, в 8 - 30 раз превышающем свою массу. Используют губчатый материал из полиуретановой пены, который хорошо впитывает нефть и продолжает плавать после адсорбции. По расчетным данным, 1 м³ полиуретанового открыто пористого пенопласта может сорбировать с поверхности воды около 700 кг нефти.

Перечисленные ранее механические устройства недостаточно эффективны ввиду непродолжительного контакта их поверхности с нефтью. Для увеличения контакта применяют свободные синтетические полотнища, способные хорошо адсорбировать нефть. Впитавшие нефть полотнища затем пропускают через отжимные валики для отделения нефти. Американская компания "Conveel" выпускает поглотительные покрывала, изготовленные из водостойкого растительного волокна, армированного пластмассовой сеткой, способные адсорбировать 10-15-кратное количество нефти. Недостатки механических методов - низкая производительность, зависящая от толщины нефтяной пленки, и невысокая степень очистки (не более 80 %).

При сборке и нейтрализации нефти с помощью гранулированных порошкообразных адсорбентов, распыляемых на нефтяную пленку, применяют материалы органического и неорганического происхождения, предварительно обработанные гидрофобизаторами, вспученные перлит, вермикулит, пемзу и другие материалы; вспененные полистирольные гранулы, стружку фенольного пенопласта.

Эффективным сорбентом (исследования американской фирмы Shell) являются гранулы полиуретанового пенопласта. Они адсорбируют нефть в количествах, более чем в 20 раз превосходящих собственную массу. Используют также материалы, изготовленные из ацетата Na, расплава полиэтилена с парафином, древесные опилки и др. Эти сорбенты поглощают 15 - 19-кратное количество нефти. Все эти материалы уступают пластмассовым микробаллонам (пламилону), поглощающим количество нефти, в 40 раз превышающее их собственную массу.

Перспективно применение гранулированных адсорбентов и жидкостей, обладающих магнитными свойствами, которые после адсорбции нефти легко удаляются магнитом и др. Американская фирма "Amco Systems" разработала технологию применения для сбора нефти магнитной жидкости - "магнекола", придающей нефти магнитные свойства и позволяющей, удалять ее даже в виде тонких пленок. Но применение таких материалов не решает проблемы, так как перечисленные реагенты в основном токсичны. Кроме того, возникают трудности с равномерным рассеиванием гранул на загрязненной водной поверхности, особенно в ветренную погоду.

Для осаждения нефти на дно применяют нейтральные порошки, состоящие из естественных компонентов донных осадков, к которым прибавляют активированный кремнезем, естественный меловой порошок. Можно применять лигниновую и тальковую пыль, химически обработанный песок.

Для удаления нефти возможно применение минерального сырья, в частности перлитового. При термообработке при 600 - 1000 °С перлитовое сырье вспучивается. Для гидрофобизации вспученного перлита на нем путем обработки создают тонкую пленку парафинополимерной смеси и парафиностеариновой эмульсии. Нефтепоглощение у необработанного перлита достигает 0,52, после обработки - 0,64 - 0,70 г/г перлита. Обработанный перлит, попадая на поверхность воды, адсорбирует нефть и образует густую плотную массу, удобную для сбора обычными средствами (в том числе траловыми частыми сетями).

В качестве адсорбента возможно применение эластичных и волокнистых материалов. Например, волокнистый адсорбент растительного происхождения обладает сорбционной емкостью 30 г/г адсорбента. Эластичные адсорбенты, например, изопреновый каучук, обладают емкостью 17 г/г адсорбента. Известны модифицированные волокнистые адсорбенты ВБМ, ВТ и ВТМ. Сорбционное равновесие достигалось в течение 5 мин. Температурное изменение в пределах 2 - 25 °С практически не влияло на величину адсорбции. Кратность применения адсорбентов составляет 7 - 8 раз. Максимальная адсорбция ВБМ, ВТ, ВТМ составляла 37, 41 и 50 г/г адсорбента соответственно.

При изучении эффективности применения для доочистки некоторых промысловых нефтесодержащих сточных вод трех марок углей АГ-3, КАД, БАУ наиболее эффективным адсорбентом оказывается уголь марки БАУ. При его использовании остаточная концентрация нефти составляет не более 2 мг/л. При применении угля марки КАД также достигается достаточно высокий эффект удаления нефтепродуктов из сточных вод. Так, при концентрации нефти в исходной воде до 40 мг/л содержание ее в очищенном виде составляет 2 мг/л. При более низком исходном содержании нефти в сточной воде (менее 20 мг/л) активированный уголь обеспечивает глубокую очистку сточной воды.

Химические методы удаления разливов нефти. Удаление нефти с помощью химических соединений - детергентов нашло применение при разливах нефти на море. К детергентам относятся различные растворители и вещества, образующие эмульсию, которые химически воздействуют на молекулы углеводородных соединений и изменяют их поверхностное натяжение.

Наибольшее число этих соединений относится к алкилбензолсульфонатам натрия, которые отличаются по длине углеродной цепи, связанной с бензольным кольцом. Следует отметить, что токсичность детергентов для морских организмов часто выше, чем самой нефти, и широкое применение детергентов только усугубляет поражающее действие нефтяного загрязнения на гидробионты. Проводились эксперименты по совместному использованию адсорбентов и диспергаторов. Так, на акватории в районе Туапсе нефтяная пленка эффективно удалялась с помощью пенополиуретана ППУ-Э-40-0,8 и коррексита – 7664, использованного для диспергирования остатка нефти.

Предложены средства ЭПН-5 и ДН-75, разработанные аналитической лабораторией Института океанологии АН СССР, и метод их применения, который прошел экспериментальную проверку и доказал свою эффективность. Для этой цели предложена новая модификацию использования торфа, заключающаяся в применении пористых капроновых бон, наполненных термически обработанным торфяным порошком. Это значительно упрощает технологию сбора и удаления нефтепродуктов с поверхности воды.

Метод, основанный на взаимодействии нефтепродуктов с малодисперсным полимером, представлен в патенте Франции. Способ удаления нефтепродуктов с твердых и жидких поверхностей). Образующаяся при этом планка удаляется любым механическим способом.

Микробиологическое разложение нефти. Перспективным направлением предотвращения загрязнения водоемов нефтепродуктами является микро‑­биологическое разрушение. Для некоторых бактерий нефть является питательной средой. Однако естественная скорость микробиологического разрушения нефти в воде слишком низка, и этот процесс требует большого периода времени. Было установлено, что биологическая активность в большей степени зависит от температуры; скорость микробиологических процессов удваивается при каждом увеличении температуры на 10 °С. На развитие микроорганизмов большое влияние оказывает содержание высоколетучих компонентов нефти. Введение в воду незначительного количества нитрата и фосфата (0,1 и 0,35 г на 100 мл соответственно) увеличивает степень разрушения нефти на 70 %. Так как нет микроорганизмов, которые полностью удовлетворяли бы требованиям разрушения нефти на воде (способных расти и размножаться, оставаться жизнеспособными продолжительное время, не служить пищей для других водных организмов), рекомендуется использовать колонии из нескольких видов микроорганизмов.

Число органических соединений, используемых гетеротрофными микроорганизмами в качестве источников углерода, очень велико. Предполагается, что для каждого углеродного соединения, образуемого в природе, существуют микроорганизмы, способствующие их разложению.

Поглощение микроорганизмами углеводородов нефти является установленным фактом, хотя многие вопросы, связанные с микробиологической трансформацией нефти, изучены недостаточно. Наличие нефти является важнейшим экологическим фактором, обусловливающим развитие определенных видов микроорганизмов, способных использовать составные компоненты нефти в качестве единственного источника углерода и энергии. Оценка степени загрязненности почв и методы их очистки разработаны гораздо слабее, чем для воды. Однако именно почва служит резервуаром, в котором загрязнения могут накапливаться в большом количестве в силу ее адсорбирующей способности. Поэтому изучение влияния нефти на биологические процессы, происходящие в почве и обусловливающие ее самоочищение, является необходимым звеном в разработке эффективных мер по охране почвенно-земельных ресурсов в стране.

Известно, что механическая очистка почв и грунтовых вод очень трудоемка и, как правило, связана со значительными экономическими затратами. Судя по имеющимся, пока немногочисленным, данным, перспективными могут оказаться микробиологические методы, позволяющие сократить время, необходимое для ликвидации последствий загрязнения почвы нефтью, с нескольких десятилетий до нескольких лет и даже нескольких месяцев.

Сорбенты, используемые для сбора плавающей и пленочной нефти. Сорбенты, используемые для сбора нефти с водных поверхностей, могут быть природными (минеральными или органическими) и синтетическими (искусственными). Различают плавающие сорбенты плотностью менее 1000 кг/м³ и погружные сорбенты с большой плотностью

По особенностям строения, химическому составу, физико-химическим свойствам можно выделить три группы природных сорбентов: дисперсные кремнеземы, слоистые и слоисто-ленточные силикаты, каркасные силикаты (цеолиты). В практике водоочистки используются природные образования, не относящиеся к трем указанным группам сорбентов, — перлит, асбесты, бокситы, магнезит, доломит и др..

Дисперсные кремнеземы имеют осадочное происхождение. Они на 60 - 95 % состоят из аморфного SiО₂. Различают три типа кремнеземистых пород: диатомиты, трепелы, опоки. Они отличаются друг от друга своим генезисом, физическими и физико-химическими характеристиками. Диатомит (кизельгур, инфузорная земля) имеет растительное происхождение. Он состоит из окаменелых остатков простейших одноклеточных организмов — панцирей диатомовых водорослей (диатомей). Трепел представляет собой продукт минерального происхождения и внешне очень похож на диатомит, но по пористости несколько ему уступает. Опоки - твердые, легкие, пористые материалы, сопутствующие трепелу и диатомиту. Основной состав опок представлен мельчайшими частицами кремнезема. По суммарной пористости опоки уступают трепелу.

Представителями слоистых и слоисто-ленточных силикатов являются монтмориллонит, вермикулит, каспинит, гидрослюда, глауконит, тальк, пылегорскит и сениолит. Основные различия указанных силикатов состоят в структурном построении пористой поверхности.

Большое внимание уделяется природным каркасным алюмосиликатам, особенно их разновидности - цеолитам. Наиболее распространены такие природные цеолиты, как шабазит и морденит. Обработка поверхности цеолитов кремнийорганическими соединениями делает ее гидрофобной, что улучшает сорбцию нефти из воды.

Для удаления нефти с поверхности воды рекомендуется использовать обожженные при 600 - 1000 °С перлит, обсидан, вермикулит, а также порошкообразные бентонит и каолин. Однако при использовании немодифицированных минеральных сорбентов имеется опасность потопления их частичек вместе с поглощенной нефтью. Потопляемая нефть разлагается чрезвычайно медленно и оказывает вредное воздействие на флору и фауну.

Новые нефтесорбенты, обеспечивающие биодеградацию и утилизацию сорбированной нефти. Анализ известных принципов удаления плавающей нефти с водных поверхностей (механическое удаление, глобулирование, сорбция, химическое и микробиологическое разложение и др.) показывает, что наиболее эффективными средствами являются физико-химическая сорбция и микробиологическое разложение. Ныне нет доступных экологически чистых и эффективных нефтесорбентов и препаратов для биохимического разложения нефти, хотя и предлагается использовать в качестве нефтесорбентов гидрофобный перлит, вермикулит и некоторые другие материалы.

Перспективным направлением является совмещение в одном материале способности физико-химической сорбции нефти и ее биодеструкции под действием микробиологического фактора компонентов природной среды.