Смолисто-асфальтеновые вещества представляют собой третью группу, склонную к депонированию на геохимических барьерах. Токсичность соединений, входящих в комплексы не определена, а сами они не являются предметом эколого-гигиенического нормирования. Между тем, смолисто-асфальтеновые комплексы являются источником и естественным сорбентом классических канцерогенов и тяжелых металлов, молекулярные формы которых способны оказывать негативное влияние на молекулярном, биохимическом, физиологическом и общеорганизменном уровнях функционирования живого вещества.
Пятая глава посвящена обоснованию методических принципов технологии идентификации и мониторинга нефтяных загрязнений (ТИМОН), представляющей совокупность химико-аналитических приемов и способов диагностики нефтезагрязненных сред объектов окружающей среды и включающей разноуровневый комплекс геохимических показателей количества, состава и свойств ОВ.
Научно-методической основой технологии являются:
- знания природных механизмов и направленности биогеохимических процессов трансформации нефти в поверхностных и приповерхностных условиях природных геосистем;
- битуминологический подход, позволяющий выделить из всей совокупности органических соединений наиболее информативные для экогеохимии битуминозные вещества («остаточную нефть») с раздельной оценкой сингенетичной и техногенной составляющих;
- экспериментальное моделирование, позволяющее определить поведение техногенной составляющей в условиях гипергенеза, выделить генетические маркеры и оценить влияние загрязнения на сопредельные среды;
- комплексный способ получения информации о состоянии органического загрязнения физико-химическими методами анализа с применением аппаратуры, позволяющей работать на различных концентрационных уровнях (0,1-10-7 %);
- применение информационной базы геохимических данных для идентификации источника органического загрязнения природных геосистем и мониторинга нефтяных загрязнений.
Разработанный комплекс состоит из четырех модулей, алгоритм выполнения которых определяется специфическими особенностями решения сложной проблемы идентификации нефтяного загрязнения, его причин и источников.
Модульная схема ТИМОН
ПЕРВЫЙ МОДУЛЬ (организационный)
- внедрение в проблему, опробование объекта аналитического контроля;
- оценка приемлемости проблемы и ее решения в рамках технологии;
- выстраивание схемы исследований объекта
ВТОРОЙ МОДУЛЬ (аналитический)
- отбор проб, оценка органолептических показателей;
- определение общих показателей нефтяного загрязнения;
- определение геохимических характеристик битумоидов
ТРЕТИЙ МОДУЛЬ (идентификационный)
лабораторное моделирование:
- имитационное моделирование поведения предполагаемого источников загрязнения в условиях, приближенных к объекту аналитического контроля;
диагностика:
- установление общей принадлежности геохимических характеристик объекта аналитического контроля и предполагаемого источника загрязнения
идентификация:
- отождествление объекта аналитического контроля по его отображениям («отпечаткам пальцев») с предполагаемым источником загрязнения
ЧЕТВЕРТЫЙ МОДУЛЬ (прогноз)
- оценка влияния нефтяного загрязнения объекта на сопредельные среды и территории по результатам геохимического опробования;
- выявление миграционных форм компонентов нефтяного загрязнения по данным лабораторного моделирования;
- оценка масштабов эмиссии компонентов нефтяного загрязнения в окружающую среду и возможных сценариев экологических ситуаций
Модули выстраивают единую технологическую цепочку с общей схемой диагностики объектов аналитического контроля, рабочими схемами для конкретного объекта и стандартными схемами по типам анализируемых образцов (вода, почва, керн и т.д.) и модельным экспериментам. Общая схема диагностики объектов аналитического контроля представляет собой иерархический набор аналитических исследований с четкими целевыми установками и оценками результатов на каждом этапе. Такой принцип делает технологию адаптированной к различным экологическим ситуациям и позволяет как расширение, так и сокращение операций в зависимости от сложности и характера органического загрязнения, требований и возможностей заказчика.
Отличительной особенностью технологии является лабораторное моделирование поведения систем «нефть - вода», «почва - вода», «нефть - почва - вода», «нефтяные отходы - вода», «нефть - ПАВ - вода» и т.д. Специфика проведения лабораторного моделирования определяется геоэкологической ситуацией на объекте аналитического контроля. Эксперименты по моделированию поведе-ния нефти в воде с вариацией состава ингредиентов позволяют выделить нефтяные маркеры, типичные для нефтезагрязненных вод. Как методический прием, лабораторное моделирование является одним из основных способов идентификации генезиса органического загрязнения и оценки его влияния на сопредельные среды и территории.
Схема химико-аналитических исследований с целью диагностики источника загрязнения
Обработка данных и оценка соответствия объекта аналитического контроля установленным требованиям проводится с применением НД (перечни ПДК, регламенты, стандарты и т.д.) и информационной базы данных (ИБД). База данных создана на основании геоэкологических исследований нефтедобывающих регионов (более 50 месторождений) и результатов лабораторного моделирования (более 100 моделей). ИБД является пополняемой системой, актуализация документа идет по мере накопления, обработки и визуализации экологической информации. Активы базы данных позволяют создание полноценной экологической геоинформационной системы с реализацией возможностей ГИС-технологий.
Апробация предложенной технологии проведена при решении следующих задач:
- обоснование природы углеводородного загрязнения подземного водозабора «Усолка» г. Березники;
- выяснение причин и источников нефтяного загрязнения Камского водохранилища в районе Полазненского месторождения;
- анализ характера нефтепродуктового загрязнения пород зоны аэрации и грунтовых вод в районе Краснокамской АЗС, расположенной на территории бывшего нефтеперерабатывающего завода и сопряженной с ликвидированными эксплуатационными скважинами Краснокамского месторождения нефти;
- исследование генезиса органического загрязнения приповерхностной гидросферы в бассейнах р. Одиновская (Чураковское месторождение нефти) и р. Каменка (Кокуйское месторождение нефти).
Апробация предложенной технологии на данных объектах показала эффективность ее использования для идентификации источников органического загрязнения геологической среды. Разработанные методические приемы позволяют различать техногенные и природные источники формирования очагов органического загрязнения приповерхностной гидросферы, поверхностные и глубинные источники техногенного нефтезагрязнения, дифференцировать вклад отдельных источников в формирование комплексных очагов загрязнения, в т.ч. в условиях «маскирующего» влияния применяемых при борьбе с нефтезагрязнением ПАВ. Учет при оценке геохимических параметров очагов техногенного нефтезагрязнения продуктов трансформации нефти в условиях гипергенеза позволил более обосновано судить о степени их экологической опасности. Показаны возможности и дальнейшего совершенствования научно-методической основы, информационной системы и технологического оборудования ТИМОН.
В главе 6 рассмотрено применение ТИМОН при оценке эффективности технологий ликвидации аварийных разливов нефти (ЛАРН) и рекультивации нефтезагрязненных земель (РНЗ).
Оценка эффективности огневого пала на площадках нефтяных месторождений Западной Сибири показала следующее:
- выжигание нефти сопровождается термическим синтезом ПАУ, что является одной из множества причин регионального повышения фоновых концентраций БП в торфяных почвах;
- темпы снижения количества остаточной нефти на сожженной площадке существенно ниже, в сравнении с землеванием;
- нефть под выжженным слоем находится в своеобразном законсервированном состоянии, являясь источником длительного загрязнения сопредельных сред и, прежде всего, гидросферы.
Альтернативой термическому методу может быть землевание, основанное на использовании торфа и торфо-мохо-лишайниковых образований. Лабораторные испытания сорбционной емкости показали, что одна весовая часть торфа (влажность 30 %) средней степени разложения способна поглотить до 3,0-3,5 весовых частей нефти. Сорбционные свойства торфа сопряжены с достаточно высокой деструктивной функцией по отношению к нефти, обусловленной активным микробоценозом торфяников. Модельные эксперименты показали, что при трехнедельном контакте нефти с торфом в системе более чем в 13 раз увеличивается численность УВ-окисляющих микроорганизмов, а в составе нефти появляются гидроксильные, карбоксильные структуры и сложноэфирные соединения, свидетельствующие об активизации процессов ее биодеградации.
Таким образом, при выборе технологий ЛАРН, проводимых в неблагоприятных почвенно-климатических и ландшафтно-геохимических условиях, следует ориентироваться на «мягкие» методы, не усугубляющие последствий аварийного разлива нефти на природные экосистемы.
Для оценки эффективности агрохимической рекультивации проведен многофакторный эксперимент на почвах, искусственно загрязненной различными дозами нефти (от 8 л/м2 до 24 л/м2). Агрохимические приемы включали: рыхление, внесение минеральных (NPK) и органических удобрений, известкование (7 вариантов). Геохимические исследования, проведенные через 3 и 16 месяцев после внесения нефти и проведения агрохимических мероприятий, показали, что наименьшее количество остаточной нефти и наиболее высокая степень ее трансформации характерны для аэрируемой почвы. Сопоставление геохимических и микробиологических данных показало отсутствие корреляции между содержанием остаточной нефти и численностью микроорганизмов, в том числе и УВ-окисляющих.
Не ставя под сомнение ведущую роль микроорганизмов в разложении нефти, необходимо отметить, что проведение мероприятий, направленных на увеличение численности и активности аборигенной микрофлоры или внесение биопрепаратов, должно идти по принципу «не навреди». Почвенный биоценоз, жестко нарушенный нефтяной органикой, адаптируется к изменившимся биохимическим и физико-химическим условиям биотопа. Дополнительные изменения в виде вносимых биологически активных субстратов с целью иммобилизации ресурсов биоценоза усиливают нестабильность системы и приводят к «замораживанию» нефти.
В качестве примера приведены результаты исследований состава битумоидов нефтезагрязненных почво-грунтов с технологических площадок Пермского Прикамья, находящихся на биологическом этапе рекультивации. Полученные данные показали, что не смотря на проведенные мероприятия (внесение аборигенных нефтеокисляющих микроорганизмов, корректировка реакции почвенной среды, элементов минерального питания, структуры почвы, ее температурного и водно-воздушного режима), почвы отличаются сверхнормативным содержанием НП (6,75-21,26 г/кг) и остаточной нефти (12,22-36,98 г/кг), в составе которой преобладают подвижные углеводородные фракции (51,2-64,4 %), способные к эмиссии в гидросферу. Исследования остаточных нефтей свидетельствуют о низкой стадии их деградации, характеризующейся присутствием начальных продуктов ее трансформации: ненасыщенных алканов и нафтенов, гидрированных аренов, спиртов, оксосоединений, оксикислот алифатического, нафтенового и ароматического рядов. Среди О-содержащих соединений (11,6-23,6 % фракции) практически отсутствуют вторичные продукты деградации нефти - сложные эфиры, являющиеся своеобразным индикатором высокой степени преобразования нефти в поверхностных условиях. Полученные результаты позволили сделать вывод, что низкая эффективность биологической рекультивации, связана с недостатками предшествовавшего технологического этапа, что затормозило биодеградацию нефтяных соединений.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Проведенные исследования позволяют сделать следующие выводы.
1. Деградация нефти в условиях гипергенеза представляет собой многоэтапный динамический процесс изменения ее состава, строения и свойств, что приводит к превращению углеводородного геосубстрата в разноклассовую гетероатомную систему с высочайшим геохимическим потенциалом. При этом сочетание процессов разложения и синтеза, протекающих через реакции гидрирования и дегидрирования, окисления и восстановления, этерификации, металепсии, конденсации, приводит к одновременной и взаимосвязаной трансформации всех соединений нефти, отличающейся лишь скоростями преобразований.