АКАДЕМИЯ НАУК РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН
ИНСТИТУТ ОБЩЕЙ И НЕОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ
На правах рукописи
УДК 502.55:622.276.5
Худайбергенова Альфия Анваровна
Разработка технологии восстановления
нефтезагрязненных почв и грунтов
(на примере кашкадарьинского вилоята)
11.00.11 – Охрана окружающей среды и рациональное
использование природных ресурсов
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Ташкент 2011
2
Работа выполнена в
Ташкентском государственном техническом уни-
верситете им. Абу Райхон Беруни
Научный руководитель
Заведующий кафедрой «Охрана окружающей
среды» к.т.н., доц. Мусаев Маъруф Набиевич
Официальные оппоненты
д.х.н., проф. Хамраев С.С.
д.т.н., проф. Халилова Р.Х.
Ведущая организация
ОАО «УзЛИТИнефтегаз»
Защита состоится ________ на заседании специализированного совета
Д.015.13.01 при институте общей и неорганической химии Академии наук
Республики Узбекистан по адресу: 100170, г. Ташкент, ул. Мирзо Улугбека,
77а., тел.: (99871) 262-56-60, факс: (99871) 262-76-57, e-mail:
С диссертацией можно ознакомиться в Фундаментальной библиотеке
Академии наук Республики Узбекистан по адресу: г.Ташкент, ул. Муминова,
13.
Автореферат разослан «____»___________ 2011г.
Ученый секретарь
специализированного совета
к.х.н., ст.н.с. М.А. Ибрагимова
3
В В Е Д Е Н И Е
Актуальность работы.
Одной из крупных экологических проблем в
Узбекистане, как отметил президент Республики И.А.Каримов в работе «Уз-
бекистан на пороге ХХI века: угрозы безопасности, условия и гарантии про-
гресса», является загрязнение земель. Реальной угрозой стало интенсивное
загрязнение почв различными видами промышленных и бытовых отходов.
Интенсивная добыча полезных ископаемых является источником загрязнения
почв, поверхностных и подземных вод, атмосферного воздуха.
В ряду веществ, загрязняющих природную среду нефть и нефтепродук-
ты считаются одними из самых распространенных и опасных. Попадание
нефти в окружающую среду приводит к нарушению экологического равнове-
сия и существенному изменению сложившихся биоценозов, ведет к загрязне-
нию поверхностных и подземных вод, накоплению в почве токсичных ве-
ществ, снижению продуктивности биоресурсов и деградации природных
ландшафтов. Решение проблемы нефтяного загрязнения компонентов окру-
жающей среды и рациональное природопользование остро стоит перед миро-
вым сообществом.
Особую актуальность изучаемая проблема приобретает в свете борьбы
с последствиями всемирного экономического кризиса. В частности,
дальнейшее повышение конкурентоспособности нашей экономики, отметил
И.А. Каримов в работе «Мировой финансово-экономический кризис, пути и
меры по его преодолению в условиях Узбекистана», рост благосостояния
населения во многом зависят от бережного, экономного использования име-
ющихся ресурсов, в первую очередь - энергоресурсов.
В связи с вышеизложенным, исследование, разработка и апробация но-
вой эффективной и экономически выгодной технологии восстановления
нефтезагрязненных почв (грунтов), а также разработка методики их эффек-
тивного практического применения, представляют большой научно-
практический интерес и являются весьма актуальными.
Степень изученности проблемы.
Для решения проблемы восстановле-
ния и реабилитации нефтезагрязненных почв (грунтов) в работе впервые
применены новые технологии, основанные на использовании совокупности
технологических способов, способствующих экологически безопасному вос-
становлению почвы. Исследованы возможности использования этих техноло-
гий для восстановления почв (грунтов) как на месте разлива, так и с изъятием
их с места разлива нефти и нефтепродуктов.
Связь диссертационной работы с тематическими планами НИР.
Диссертационная работа выполнена в Ташкентском техническом универси-
тете в соответствии с договором между УзПЕК Лимитед и ТашИТИ «Вод-
гео» № 15/04 от 23.04.2004 г. «Разработка рекомендаций по восстановлению
нефтезагрязненных почв на территории месторождения Южный Кызылбай-
рак» (2004 г.) и договором между ТашИТИ «Водгео» и Кашкадарьинским
областным комитетом охраны природы № 207/06 от 07.04.2006 «Разработка
технологии биологической очистки нефтесодержащих почв и грунтов нефте-
4
газоносного района Кашкадарьинской области» (2006-2008 г.г.), договором
между НПП POLITEX и ТашИТИ «Сувгео» № 325/08 от 12.09.2008 г. «Про-
ект заявления на окружающую среду для Зирбулакского УМГ».
Цель исследования.
Цель диссертационной работы заключается в ис-
следовании и разработке новой технологии восстановления нефтезагрязнен-
ных почв (грунтов) с различной начальной концентрацией нефти в них для
условий Кашкадарьинского вилоята.
Задачи исследования.
Для достижения поставленной цели в работе
сформулированы и решены следующие конкретные задачи:
разработка классификации нефтезагрязненных почв (грунтов);
разработка методов восстановления почв (грунтов) с содержанием угле-
водородов нефти до 60 г/кг почвы без изъятия с места разлива нефти и
подбор оптимальной технологии;
разработка методов восстановления почв (грунтов) с содержанием угле-
водородов нефти свыше 60 г/кг почвы с изъятием с места разлива нефти,
восстановление почв (грунтов) на модельной установке и подбор опти-
мальной технологии;
практическое применение технологий при ликвидации аварийного раз-
лива нефти и порыве нефтепровода;
определение факторов, влияющих на скорости течения процессов раз-
ложения нефти (климатических, физических, биологических и т.д.), и
разработка математических моделей, описывающих изучаемые процес-
сы;
на основании полученных результатов предложение алгоритма проведе-
ния работ и технологической схемы восстановления нефтезагрязненных
почв (грунтов) с различными начальными уровнями загрязнения;
проведение технико-экономических расчетов работ по восстановлению
нефтезагрязненных почв (грунтов) в соответствии с предлагаемыми ал-
горитмом и технологической схемой.
Объекты и предмет исследования.
Объектами исследования являются
нефтезагрязненные почвы (грунты), отобранные с территории месторожде-
ния Южный Кизилбайрак расположенного в Дехканобадском тумане Каш-
кадарьинского вилоята. Предмет исследования
–
разработка новых техноло-
гических схем восстановления нефтезагрязненных почв (грунтов)
(с изъяти-
ем почв с места разлива нефти и без изъятия почв с места разлива нефти).
Методы исследования.
Определение содержания УВ нефти в почве
производилось в соответствии с РД 118.3897485.11-92 «Охрана природы.
Гидросфера. Методика определения нефтепродуктов в почве, природных и
сточных водах колоночной хроматографией с весовым окончанием»
Государственный комитет по охране природы Республики Узбекистан. -
Ташкент, 1993.
Гипотеза исследования.
В результате применения совокупности тех-
нологических и биологических методов будет достигнуто снижение загряз-
5
нения нефтью почв до фоновых концентраций углеводородов нефти и вос-
становление почвы для последующего использования в сельском хозяйстве.
Основные положения, выносимые на защиту:
1.
Классификация уровней загрязнения почв и грунтов нефтью и методов
их восстановления.
2.
Технологические параметры процессов восстановления почв при сред-
нем и высоком уровнях загрязнения.
3.
Влияние климатических, физических и биологических факторов на ско-
рости течения процессов восстановления почвы. Математические ли-
нейные и полиномиальные модели динамики восстановления почвы, а
также прогноз длительности этих процессов.
4.
Алгоритм проведения работ и новая технологическая схема восстанов-
ления нефтезагрязненных почв (грунтов) без изъятия и с изъятием с ме-
ста разлива при использовании агротехнических и биологических мето-
дов.
Научная новизна
работы заключается в следующем:
Впервые для Республики Узбекистан изучены почвы с различными
степенями загрязнения и предложена классификация уровней загрязнения
почв (грунтов) нефтью.
Впервые выявлены зависимости скорости деградации углеводородов от
применения совокупностей методов восстановления почвы и влияния факто-
ров окружающей среды.
Впервые в зависимости от начальной концентрации загрязнений при-
менен дифференцированный подход к разработке технологий восстановле-
ния нефтезагрязненных почв (грунтов), основанный на совокупности техни-
ческих и биологических приемов.
Впервые построены математические модели, подтвердившие эффек-
тивность предлагаемых методов вне зависимости от уровня начального за-
грязнения, позволившие прогнозировать длительность процесса восстанов-
ления и просчитать время завершения восстановительных работ (т.е. при до-
стижении фоновых концентраций).
Научная и практическая значимость результатов исследования.
В
результате исследований почв с различной степенью загрязнения была пред-
ложена классификация уровней загрязнения почв (грунтов) нефтью, которая
может быть использована как для оценки нефтяных разливов, так и при вы-
боре технологий восстановления почв.
Результаты исследований факторов, влияющих на скорости течения
процессов разложения нефти, позволили разработать технологию восстанов-
ления почв, которая может быть использована в практике ликвидации ава-
рийных разливов нефти на территории Республики Узбекистан. Предложен
алгоритм проведения работ по восстановлению почвы с различными степе-
нями загрязнения, а также технологическая схема восстановления почвы с
высоким уровнем загрязнения, показаны эффективность и целесообразность
предложенных технологий.
6
Теоретические и практические результаты исследований могут быть
использованы для учебного курса «Технологии защиты окружающей среды
по специальности «Охрана окружающей среды и рациональное использова-
ние природных ресурсов».
Реализация результатов.
Результаты исследований были реализованы
при восстановлении почвы после аварийного разлива нефти на территории
месторождения Южный Кызылбайрак, расположенном в Дехканобадском
районе Кашкадарьинского вилоята. Акт внедрения научной работы от
05.08.08 г. Разработан «Регламент на восстановление нефтезагрязненных
почв (грунтов) на контрактной площади Юго-Западный Гиссар», получив-
ший согласование и рекомендации к применению Государственной экологи-
ческой экспертизой Государственного комитета по охране природы Респуб-
лики Узбекистан № 18/162з от 30.03.09 г. Восстанавливается береговая зона
озера Айдаркуль, расположенного в Навоинской области, загрязненная
нефтью в результате порыва нефтепровода, затопленного водами озера. Ра-
бота ведется в настоящее время.
Апробация работы.
Основные положения и результаты работы доло-
жены, обсуждены и получили одобрение на: Международном симпозиуме
«Загрязнение пресных вод аридной зоны: оценка и уменьшение» (Ташкент,
2004); Международной научной конференции «INNOVATION – 2006»
(Ташкент, 2006); Республиканской научно-практической конференции «Роль
женщин-ученых в развитии науки и техники» (Ташкент, 2006); 7-ом Между-
народном конгрессе «Вода: экология и технология. ЭКВАТЭК-2006»
(Москва, Россия, 2006); Московском Международном водном форуме: кон-
гресс «Вода: экология и технология. ЭКВАТЭК-2008» (Москва, Россия,
2008); Международная научно-практическая конференция «Проблемы фор-
мирования и внедрения инновационных технологий в условиях глобализа-
ции» (Ташкент, 2010); 15-ой Международной конференции «Нефть и Газ Уз-
бекистана» (Ташкент, 2011).
Опубликованность результатов.
Основное содержание диссертации
отражено в 11 опубликованных работах, в том числе в 2 научных статьях и
9 тезисах докладов в сборниках Международных и Республиканских науч-
ных конференций.
Структура и объем диссертации.
Диссертационная работа состоит из
введения, 5 глав, заключения, списка использованной литературы, состояще-
го из 119 наименований и приложений. Диссертационная работа изложена на
161 страницах машинописного текста, включает 18 рисунков и 21 таблиц.
Основное содержание диссертации
Во
введении
диссертации отражается актуальность и новизна пробле-
мы, цель, задачи, научная и практическая значимость выполненных исследо-
7
ваний, основные защищаемые положения, сведения об апробации и публика-
циях.
В обзоре литературы, которому посвящена
первая глава,
описаны по-
ведение нефти в окружающей среде и методические основы деструкции уг-
леводородов (далее УВ) нефти, дан анализ современного состояния методов
восстановления нефтезагрязненных почв, к которым относятся: пассивное
восстановление, основанное на способности окружающий среды к самоочи-
щению; удаление загрязненных почв для последующей их обработки с по-
мощью промывок, обработки неорганическими, органическими и биологиче-
скими препаратами; обработка на месте биопрепаратами.
Во
второй главе
изложены объекты и методы исследований.
Объектами исследования в данной работе являлись почвы, загрязнен-
ные в результате разлива нефти, произошедшего на территории месторож-
дения Южный Кызылбайрак (Кашкадарьинский вилоят).
Анализ почв на общее содержание УВ нефти проводился по методике
РД 118.3897485.11-92. Подсчет микроорганизмов производился по «Методам
почвенной микробиологии…» (МГУ, 1991).
Статистическую обработку, корреляционный анализ и математическое
моделирование полученных данных проводили по статистическим програм-
мам «Excel».
Проведена систематизация литературных данных и опытов собствен-
ных исследований и предложена Классификация загрязнений и методов про-
ведения восстановительных работ (табл.1.)
Таблица 1
Классификация загрязнений и методов проведения восстановительных работ
Степень
загрязнения
Содержание
УВ нефти в
почве, г/кг
Состояние
растительности
Восстановительные
работы
Фон
до 1
хорошее физиологиче-
ское состояние, без
признаков угнетения
Не требуются
Слабое за-
грязнение
1-10
растительности в удо-
влетворительном со-
стоянии, влияние за-
грязнения не замечено
Пассивное восста-
новление
Среднее за-
грязнение
10-60
не полное отмирание
растительности
Агротехнические
методы
Сильное
загрязнение
свыше 60
полное отмирание рас-
тительности
Специальные мето-
ды
На основании литературных данных и опытов собственных исследова-
ний произведен подбор параметров технологии восстановления без изъятия и
с изъятием почв с места разлива нефти. Для восстановления почв без изъятия
с места разлива с использованием агротехнических приемов: аэрация
8
(вспашка) почв; внесение раскислителей или щелочных компонентов для
поддержание уровня рН 6,5-8,5; увлажнение соленой природной водой с
концентрацией NaСl и K
2
SO
4
2,5-3 г/л; увлажнение почвы (влажность почвы
поддерживается в интервале 20-25%), 4-6 л на 1 м
2
полив биофитоном (био-
генными элементами с микрофлорой); посадка агрокультуры, аккумулирую-
щей азот в почве, и развитие азотфиксирующих бактерий.
Для восстановления почв с изъятием с места разлива на модельной
установке использовалась следующая совокупность факторов: внесение био-
генных элементов - минеральные удобрения в виде аммиачой селитры -
NH
4
NO
3
(концентрация 1 г/л воды) и одно- и двухзамещенного калия фос-
форнокислого - KH
2
PO
4
(концентрация 1 г/л воды) и K
2
HPO
4
(концентрация 1
г/л воды); внесение хлоридов в пределах 4-6 г/л, сульфатов K
2
SO
4
1,0-2,0 г/л;
внесение биофитона; содержание растворенного кислорода во всех секциях
установки поддерживалось в пределах от 3 до 5 мг/л; температура воды 22-24
0
С; рН 7,1÷7,5; периодически перемешивалась почва.
Описана модельная установка и метод приготовления биофитона.
Результаты исследований и их обсуждение
Третья глава
посвящена определению влияния применяемых методов
и природно-климатических факторов на процессы восстановления нефтеза-
грязненных почв.
Выбор методов восстановления почвы зависел от начальной концен-
трации УВ нефти в ней. При высоком содержании (свыше 60 г/кг) использо-
валась технология с изъятием почвы с места разлива нефти и дальнейшим ее
восстановлением на модельной установке. При низком (ниже 60 г/кг) – без
изъятия почвы с места разлива с применением агротехнических приемов.
При концентрации ниже 10 г/кг нами не рекомендуется проводить работы,
поскольку восстановление почв происходит под воздействием лишь природ-
но-климатических факторов.
Использование технологий восстановления с изъятием почв (грунтов) с
места разлива нефти/нефтепродуктов рекомендуем производить в следую-
щих случаях:
содержание углеводородов выше 60 мг/г сухой почвы;
разлив произошел на территории, имеющей статус природоохранной,
рекреационной или санитарно-защитной зоне природных водоемов;
разлив произошел на производственной площадке, где не допускается
замазученность грунта в противопожарных целях и т.д.
Во всех остальных случаях рекомендуем использовать технологию
восстановления без изъятия почв с места разлива, с применением агротехни-
ческих приемов.
Эксперимент по восстановлению почв в модельной установке прово-
дился в сравнении с контрольным участком, работы на котором не осуществ-
9
лялись (табл.2.). В результате было установлено, что в естественных услови-
ях разложение УВ происходит в течение длительного времени и напрямую
связано с сезонными изменениями климата (температуры и влажности), про-
цесс активизируется в зимний (прохладный и влажный) период и практиче-
ски затухает в летний период. В результате чего снижение содержания УВ в
почвах с сильным загрязнением на 60 % было достигнуто лишь через 40 ме-
сяцев.
Обработка в модельной установке позволила достигнуть аналогичного ре-
зультата уже через 12 месяцев. Технология восстановления почв с изъятием с
места разлива нефти весьма эффективна и составляет 90% за 27 месяцев.
Восстановление почвы на модельной установке проводилось под слоем воды
с внесением биогенных элементов, солей, биофитона. По литературным дан-
ным известно, что применение биопрепаратов-деструкторов не эффективно
при содержании УВ в почве выше 25-30 г/кг, тогда как условия, созданные в
модельной установке, позволили восстановить почву с высокой начальной
концентрацией УВ - 116 г/кг.
Таблица 2
Сравнительный анализ содержания УВ нефти в почве
контрольного участка и модельной установки
Даты отбора
проб
Контрольный участок
Модельная установка
Содержание,
г/кг
Снижение,
%
Содержание,
г/кг
Снижение,
%
02.03.2005
113
27.09.2005
112
0,75
09.03.2006
101,4
10,16
10.04.2006
116
20.09.2006
101
10,5
25.09.2006
111
4,3
20.12.2006
81,5
29,7
10.02.2006
76
34,4
15.04.2007
83,3
26,2
50,3
56,6
15.06.2007
84,1
25,5
33
71,6
03.10.2007
71,3
36,9
27.10.2007
24,9
78,5
25.12.2007
58,5
49,6
15.01.2008
23,0
80,2
20.04.2008
51,1
54,4
20
82,7
10.06.2008
47
58,4
17.07.2008
12
89,7
При анализе скорости процесса восстановления почвы в модельной
установке выявлено, что на первом этапе в течение 5-6 месяцев происходит
10
адаптация и развитие микробного сообщества и снижение содержания УВ
незначительно (4%). На втором этапе после наработки биомассы (2,5х10
6
кл/г) процесс деструкции легких фракций УВ протекает активно и достигает
11% в месяц. Снижение содержания УВ на втором этапе составляет 67,3%.
На третьем этапе повышается доля тяжелых фракций нефти в почве и ско-
рость процесса замедляется до 7% в летний, и 3% в осенне-зимний период.
Таким образом, при выбранных технологических параметрах, скорость
процесса восстановления почвы (с высоким содержанием УВ) на модельной
установке зависела от количества микроорганизмов-деструкторов УВ и
фракционного состава нефтяного загрязнения.
При проведении экспериментов выявлены зависимости содержания УВ
в почве от количества микроорганизмов – деструкторов УВ. Анализ содер-
жания микроорганизмов проводился в почве модельной установки и кон-
трольного участка (рис.1,2). Независимо от начальной концентрации УВ
нефти динамика содержания микроорганизмов в почве имеет общую направ-
ленность: снижение содержания микроорганизмов в 20 раз на первой стадии
(вызванного ингибированием их роста УВ) и увеличение их численности в
350 раз (за счет качественной перестройки бактериального сообщества, и
повышения доли микроорганизмов-деструкторов УВ нефти).
Рис.1. Зависимость содержания УВ нефти
от количества микроорганизмов в модель-
ной установке
Рис.2. Зависимость содержания УВ нефти в
почве от количества микроорганизмов де-
структоров УВ и климатических сезонов в
почве контрольного участка
Применение технологии восстановления почв без изъятия почв с места
разлива нефти на экспериментальных участках со слабым загрязнением (1-10
мг/г) позволило снизить содержание УВ до фоновых концентраций 0,4÷0,5
г/кг за полгода (табл.3.).
На экспериментальных участках со средним загрязнением (10-60 мг/г)
снижение содержания УВ до слабого уровня загрязнения 5,8 г/кг, при кото-
ром дальнейшее проведение обработки нецелесообразно, было достигнуто за
9 месяцев (табл.4).
10.02.07
25.09.06
10.02.07
10.04.06
16.06.06
04.04.06
29.04.07
11
Таблица 3
Динамика снижения содержания УВ нефти при восстановлении
участков со слабым загрязнением
Место отбора
проб
15.10.2006
14.01.2007
20.05.2007
Конц. УВ
нефти,
г/кг
Конц.
УВ
нефти,
г/кг
Остаточное
содержание,
%
Конц.
УВ
нефти,
г/кг
Остаточное
содержание,
%
1 участок
4,14
0,98
24
0,4
10
2 участок
3,36
0,69
20,5
0,57
17
3 участок
1,96
0,94
48
0,5
25,5
4 участок
2,24
0,75
33,5
0,4
18
5 участок
1,55
1,54
99,4
0,45
29
6 участок
3,95
1,74
44
1,44
36
7 участок
2,57
2,56
99,6
2,47
96
8 участок
0,49
0,5
0
0,45
0
Таблица 4
Динамика снижения содержания УВ нефти при восстановлении
участков со средним загрязнением
Место
отбора
проб
Н
ачаль
ная к
он
це
н-
тр
ац
ия
УВ не
фти
,
г/
кг
18
.0
8.
07
Содержание УВ нефти
05.11.2007
18.12.07
05.05.2008
28.08.2008
Ко
нц
. УВ
нефт
и г/
кг
О
стат
оч
но
е
со
дер
жа
ни
е,
%
Ко
нц
. УВ
нефт
и,
г/
кг
О
стат
оч
но
е
со
дер
жа
ни
е,
%
Ко
нц
. УВ
нефт
и,
г/
кг
О
стат
оч
но
е
со
дер
жа
ни
е,
%
Ко
нц
. УВ
нефт
и,
г/
кг
О
стат
оч
но
е
со
дер
жа
ни
е,
%
1 участок
35,9
24,2
67,4
17,9
49,9
10,3 29,09
5,8
16,2
2 участок
36,7
27,0
73,6
22,6
61,6
18,7 50,95
12,7
34,6
3 участок
35,4
30,7
86,7
27,6
78,0
22,1 62,43
18 50,84
4 участок
37,0
29,0
78,4
25,5
68,9
20,2
54,6
14,5
39,2
5 участок
33,0
28,0
84,9
26,0
78,8
21,0 63,63
16,9
51,2
7 участок
37,3
35,1
94,1
34,8
93,3
30,3 81,23
27,5 73,73
8 участок
0,44
0,47
100
0,46
100
0,44
100
0,45
100
Результаты статистической обработки данных обоих экспериментов
позволили определить наиболее эффективную совокупность агротехнических
приемов: вспашка + посадка нута + полив биофитоном (1 участок), причем
определяющим фактором является полив биофитоном. Эффективность по-
12
садки нута в совокупности со вспашкой и поливом различными растворами
выше, чем использование только вспашки и полива растворами.
При сравнении скоростей деградации УВ нефти в первом и втором экс-
перименте (рис.3.) видно, что скорость восстановления нефтезагрязненных
почв (грунтов) со слабым загряз-
нением ниже, чем со средним.
Снижение содержания УВ нефти
в почве со слабым начальным за-
грязнением происходит в основ-
ном
за
счет
природно-
климатических факторов.
При анализе динамики ско-
ростей деградации УВ нефти на
участке со средним уровнем
загрязнения установлено, что
наиболее высокая скорость до-
стигнута при разложении легких фракций УВ (50% от общего содержания
УВ). Скорость разложения оставшихся тяжелых фракций УВ в почве значи-
тельно падает и на протяжении последних 8 месяцев эксперимента не пре-
вышает 1,52 г/кг∙мес (разлагается около 33% от общего содержания УВ). Это
может быть связано с тем, что тяжелые смолистые соединения мало подвер-
жены разложению под воздействием природно-климатических факторов, и
требуют большего времени для разложения и труднее перерабатываются
микроорганизмами-деструкторами УВ.
Изученные методы восстановления нефтезагрязненных почв с успехом
были опробованы при ликвидации аварийного разлива нефти на территории
месторождения Южный Кызылбайрак (Кашкадарьинский вилоят). В период
процесса восстановления (с марта 2004 года по апрель 2008 года) осуществ-
лялся систематический аналитический контроль и визуальные наблюдения.
Результаты процессов восстановления приведены на рис.4.
В зависимости от начальной концентрации к почвам были применены
различные методы восстановления:
- восстановление нефтезагрязненных почв с изъятием с места разлива.
Метод позволил снизить содержание УВ нефти на 87% за 27 месяцев (оста-
точное содержание составило 4,33 г/кг);
- восстановление нефтезагрязненных почв без изъятия с места разлива
с использованием агротехнических приемов. При начальной концентрации
17,2 г/кг эффективность метода - 92% за 24 месяца. При начальной концен-
трации 4,34 г/кг – эффективность 90% за 5 месяцев;
- восстановление нефтезагрязненных почв (с аэрозольным напылением)
без изъятия с места разлива с использованием механической обработки. При
начальной концентрации 4,78 г/кг эффективность метода - 91% за 9 месяцев.
Почва с аналогичным загрязнением под воздействием только природно-
Рис.3. Сравнение скоростей разложения
УВ на слабом и среднем загрязнении
13
климатических факторов восстановилась за 18 месяцев. Таким образом, ско-
рости процессов деструкции УВ в 2 раза выше, чем на участке без обработки.
1 - Восстановление с изъятием почвы с места разлива нефти
2 - Участок 1. Восстановление без изъятия почвы с места разлива нефти
3 - Участок 2. Восстановление без изъятия почвы с места разлива нефти
4 - Механическая обработка
5 - Зона аэрозольного напыления/ без обработки
6 - фон
Рис.4. Динамика снижения содержания УВ нефти при ликвидации аварийно-
го разлива
Применение технологии восстановления почвы с использованием агро-
технических приемов показало высокую эффективность при ликвидации
разлива нефти, произошедшего при затоплении нефтепровода Чарджоу –
Чимкент озером Айдаркуль (2008-2010 г.). Для восстановления прибрежной
зоны участка западного побережья озера Айдаркуль, загрязненного нефтью
было решено использовать только боронование и внесение натриевой селит-
ры, постоянный контакт загрязнения с озерной водой позволял увлажнять
почву естественным путем, что сокращало расходы на увлажнение террито-
рии. За 16 месяцев, прошедших после начала обработки песчаников содер-
жание УВ нефти снизилось на более чем на 98 % и достигло фоновых кон-
центраций.
В
четвертой главе
приводятся
математические модели процессов вос-
становления почв.
Линейные функции позволили прогнозировать длительность процесса
восстановления и просчитать момент завершения работ. Полиномиальные
функции описывали процесс с большей точностью в каждый промежуток
времени. Сравнительный анализ функций, описывающих тренды процессов
восстановления почв на контрольном участке и в модельной установке дока-
зал, что процессы равнонаправленные, но если продолжительность восста-
новления в модельной установке составляет 2 года 3 месяца (рис.5.), то про-
гнозируемая продолжительность восстановления почв под действием лишь
природно-климатических факторов составляет 6 лет (рис.6.).
14
Рис.5. Линейная функция для про-
цесса восстановления почвы в мо-
дельной установке
Рис.6. Линейная функция – прогноз
восстановления почвы на контрольном
участке
Пятая глава
посвящена разработке алгоритма (рис.7.) и технологиче-
ской схемы работ по восстановлению почв (рис.8), уточненной по результа-
там опытно-промышленной эксплуатации технологии восстановления нефте-
загрязненных почв при ликвидации аварийного разлива нефти.
Технология восстановления нефтегазрязненных почв без изъятия с ме-
ста разлива нефти.
В случаях, если разлив занимает несколько десятков гек-
таров, но концентрация загрязнения лежит в пределах от 10 до 60 г/кг, то
восстановление производится без изъятия почвы с места разлива с примене-
нием агротехнических приемов: многократная вспашка, полив слабосоленой
речной водой и биоактивным раствором. После 3-5 обработок, производится
посев технической агрокультуры (нут). После прорастания нута, зеленую
массу запахивают в почву в качестве зеленых удобрений. Затем продолжает-
ся перепашка почвы (грунта) с поливом биофитоном. В процессе работы 1
раз в 1-3 месяца производится отбор проб и определяется содержание угле-
водородов нефти. Обработка завершается, когда содержание углеводородов
снижается ниже 10 мг/г.
Технология восстановления почв с изъятием с места разлива нефти
.
Для восстановления почвы с высоким уровнем загрязнения нами разработана
принципиальная технологическая схема восстановления нефтезагрязненных
почв (рис.8.).
Нефтезагрязненные почвы (грунты) срезаются и вывозятся в гидроизо-
лированный амбар(ы) для хранения 1.
Из нефтеловушки уловленная нефть перекачивается насосом в емкость
сбора уловленной нефти 4, откуда вывозится на подготовку.
Анализ со-
держания
УВ в почве
УВ в почве менее 60
г/кг, но выше 10 г/кг
УВ в почве
выше 60 г/кг
Да
Вспашка, полив, полив био-
активным раствором, полив
удобрениями
Срезка почвы, вывоз на место вре-
менного складирования, загрузка в
амбар для обработки
Посадка и выращивание
азотфиксирующих расте-
ний. Запашка в почву зеле-
ной массы (создание зеле-
ных удобрений)
Вспашка, полив, полив
биоактивным раствором,
полив удобрениями
Анализ со-
держания
УВ в почве
Анализ со-
держания
УВ в почве
УВ в почве
менее 10 г/кг,
завершение
работ
УВ в почве
выше 10 г/кг,
продолжение
работ
Да
УВ в почве
выше 10 г/кг,
продолжение
работ
Да
Промывка почвы
Разделение нефти и воды
Слив воды с УВ нефти
почва
смесь воды
и нефти
вода
нефть
Вывоз нефти на
подготовку
УВ в почве
менее 10 г/кг,
завершение
работ
Возврат почвы
на место изъятия
Загрузка следующей
порции почвы
Рис.7. Алгоритм проведения работ по восстановлению почв (грунтов)
1
2
1
11
3
4
1
5
7
7
6
8
9
11
10
11
11
11
нефть на подготовку
почва на место изъятия
Свежие пор-
ции воды
Свежие пор-
ции воды
Свежие пор-
ции воды
Рис. 8. Принципиальная технологическая схема восстановления нефтезагрязненных почв (грунтов)
1 – амбар для хранения нефтезагрязненных почв; 2 – промывочная машина; 3 – нефтеловушка; 4 – емкость для сбора улов-
ленной нефти; 5 – емкости для приготовления биофитона; 6 – емкости для приготовления биоактивного раствора; 7 – доза-
тор удобрений; 8 – дозатор хозбытовых стоков; 9 – амбар для сбора промывочной воды; 10 – амбар для восстановления
почв с транспортером смесителем; 11 – насосы; 12 – блок приготовления биоактивного раствора
12
1
17
Вода возвращается в амбар промывочной воды 9 и повторно используется
при промывке почвы. Унесенные со смесью нефти и воды частицы почвы пе-
риодически откачиваются из нефтеловушки 3 и загружаются в открытый ам-
бар для восстановления почвы 10. Почва из промывочной машины подается
в емкость для восстановления почв 10 и распределяется по ее дну слоем не
более 0,5-0,7 м на один цикл восстановления. Высота емкости должна быть
не ниже 1,20 м с учетом запаса на увлажнение и предотвращения перетока
осадков. Нефтезагрязненные почвы (грунты) в емкости распределяются ров-
ным слоем и периодически перемешиваются посредством вращения лопаст-
ного транспортера.
2 этап – деградация УВ нефти: Часть воды из амбара промывочной во-
ды 9 заливается в амбар для восстановления почв 10 в объеме, достаточном
для его увлажнения – около 25 %. Готовится биоактивный раствор и биофи-
тон. В случае если почва имеет рН среды выше или ниже 6,5-8,5 вносятся
раскислители или щелочи для нейтрализации повышенной щелочности или
кислотности. В случае, если вода пресная и содержание солей сульфатов в
ней менее 2-3 г/л, дополнительно вводятся соли К
2
SO
4
в количестве 2-3 г/л
для формирования эффекта высаливания углеводородов нефти из почвы.
Далее почвы (грунты) в «амбаре восстановления» периодически взрых-
ляются вращением транспортера и оставляются для наработки микрофлоры в
течение 20 дней. Затем производится отбор проб и анализ воды и почв (грун-
та) по следующим показателям: рН; количество микроорганизмов-
деструкторов углеводородов; ХПК; содержание углеводородов нефти в почве
(грунте) в емкости 10.
При необходимости вводятся кислотные или щелочные агенты для
поддержания нейтрального рН среды. Для эффективной деструкции углево-
дородов нефти количество микроорганизмов должно быть не менее 2,5-3,0 ·
10
6
кл/г, а ХПК лежат в пределах 250-500 мг/л. Периодичность внесения не-
обходимых компонентов определяется по результатам анализов. По опыту
она составляет 1 раз в месяц. После того, как достигнуто содержание углево-
дородов нефти в восстанавливаемой почве (грунте) менее 10 г/гкг сухой поч-
вы, работы по восстановлению прекращаются. Почву (грунт) можно исполь-
зовать на улучшение плодородного слоя, т.к. в ней будет содержаться до-
вольно высокое количество микроорганизмов, азота и почвенной органики.
Затем загрузить следующую порцию почвы (грунта) и повторить цикл.
Стоимость работ по восстановлению нефтезагрязненных почв склады-
вается из капитальных и операционных затрат (таб.5.). Капитальные затраты
включают в себя стоимость строительства сооружений (амбары, водоводы и
т.д.) и закупка и монтаж оборудования. Операционные затраты отражают
стоимость работ по восстановлению почв.
18
Таблица 5
Сводная таблица затрат на проведение работ по восстановлению почв
Вид затрат
Наименование объектов
Стоимость, сум
Восстановление почв с
изъятием с места разли-
ва нефти
Капитальные затраты
31 797 819,40
Операционные затраты
7 135 430,82
Восстановление почв
без изъятия с места раз-
лива нефти
Капитальные затраты
5 429 358,52
Операционные затраты
5 176 276,53
Стоимость восстановительных работ с изъятием почвы с места разлива нефти
выше, но обосновывается экологической, промышленной и социальной без-
опасностью.
Выводы
Основные научные результаты диссертации, практические выводы и
рекомендации заключаются в следующем:
1.
В работе предложено эффективное и легко реализуемое решение остро
стоящей в Республике Узбекистан и во всем мире проблемы восстанов-
ления почв загрязненных нефтью.
2.
При помощи разработанной технологии были успешно ликвидированы
последствия аварийного разлива нефти на территории месторождения
Южный Кызылбайрак, расположенного в Дехканобадском тумане Каш-
кадарьинского вилоята, а также восстановлен участок западного побе-
режья озера Айдаркуль, загрязненного нефтью в результате порыва за-
топленного нефтепровода Чарджоу-Чимкент.
3.
Результаты проведенных работ по восстановлению почвы от нефтяного
загрязнения получили положительное заключение Государственной эко-
логической экспертизы № 18/28з от 16.01.2009 г.
4.
Предложена классификация уровней загрязнения почв и грунтов нефтью
и методов их восстановления.
5.
На основании экспериментальных данных разработаны технологии вос-
становления нефтезагрязненных почв (грунтов) с изъятием и без изъятия
с места разлива нефти. Определены технологические параметры процес-
сов восстановления почв без изъятия с места разлива нефти на экспери-
ментальных участках (средний уровень загрязнения - до 60 г/кг); и с
изъятием с места разлива нефти на модельной установке (высокий уро-
вень загрязнения – выше 60 г/кг).
6.
Предложен алгоритм проведения работ по ликвидации нефтяных загряз-
нений. Разработана новая технологическая схема и произведен технико-
экономический расчет технологии восстановления нефтезагрязненных
почв (грунтов) без изъятия и с изъятием с места разлива при использо-
вании агротехнических и биологических методов. Разработан и согласо-
19
ван Государственной экологической экспертизой «Регламент на восста-
новление нефтезагрязненных почв (грунтов) на контрактной площади
Юго-западный Гиссар» (Заключение ГЭЭ № 18/162з от 30.03.2009 г.).
7.
Определены климатические, физические и биологические факторы, вли-
яющие на скорости течения процессов восстановления почвы. Произве-
дено математическое моделирование динамики этих процессов. Линей-
ные и полиномиальные функции позволили описать процессы восста-
новления в каждый промежуток времени, прогнозировать их длитель-
ность до достижения фоновых концентраций и определить момент за-
вершения работ.
20
Список опубликованных работ
1.
Худайбергенова А.А., Ижицкая М.В., Шаповалова Л.М., Бут Л.И.
Мониторинг природных вод и грунтов в нефтегазоностном районе
Узбекистана // Вода: экология и технология: Сб. док. 7-ого Межд.
конгресса. – М.,2006. - С. 324-325.
2.
Худайбергенова А.А. Классификация нефтяных загрязнений //
Теоретические и практические аспекты нефтегазовой геологии
Центральной Азии и пути решения современных проблем отрасли: Тез.
докл. Международной науч.-практ. конф. – Ташкент: ОАО ИГИРНИГМ,
2009. – С. 155-157.
3.
Худайбергенова
А.А.
Результаты
опыта
восстановления
нефтезагрязненных почв // Теоретические и практические аспекты
нефтегазовой геологии Центральной Азии и пути решения современных
проблем отрасли: Тез. докл. Международной науч.-практ. конф. –
Ташкент: ОАО ИГИРНИГМ, 2009. – С. 158-160.
4.
Бут Л.И., Ижицкая М.В., Шаповалова Л.М., Худайбергенова А.А.
Предотвращение загрязнений открытых водоѐмов и подземных вод /
Материалы Международного симпозиума «Загрязнение пресных вод
аридной зоны: оценка и уменьшение». Ташкент. 2004. С. 48-49.
5.
Худайбергенова А.А., Шаповалова Л.М., Ижицкая М.В. Оценка
нефтяного загрязнения / Сборник научных статей Международной науч-
ной конференции «INNOVATION – 2006». Ташкент. 2006. С.367-368.
6.
Худайбергенова А.А., Худайбергенова А.С. К вопросу о восстановлении
нефтезагрязненных почв / Сборник докладов Республиканской научно-
практической конференции «Роль женщин-ученых в развитии науки и
техники». Ташкент. 2006. С.58-62.
7.
Худайбергенова А.С., Худайбергенова А.А. Мониторинг почв и вод
нефтегазоносной провинции Юго-Заподного Гиссара / Каталог выставок
ЭКВАТЕК СитиПайн БВ Шоу и сборник докладов Московского Меж-
дуна-родного водного форума: конгресс «Вода: экология и технология.
ЭКВАТЭК-2008» Москва, Россия, 2008. С.10-13.
8.
Ижицкая М.В., Шаповалова Л.М., Бут Л.И., Худайбергенова А.А.
Мониторинг содержания азота в воде и почвах предгорий Гиссарской
области / Каталог выставок ЭКВАТЕК СитиПайн БВ Шоу и сборник
докладов Московского Международного водного форума: конгресс «Во-
да: экология и технология. ЭКВАТЭК-2008» Москва, Россия, 2008. С.
17-21.
9.
Худайбергенова А.А., Мусаев М.Н., Шаповалова Л.М. Оценка
нефтяного загрязнения и пути решения проблемы // Экологический
вестник. 2006. №12. С.22-25.
10.
Худайбергенова А.А. К вопросу оценки нефтяного загрязнения почв //
Научно-технический
журнал
"Защита
окружающей
среды
в
нефтегазовом комплексе". Москва. 2008. № 9. С.88-90.
21
11.
Ижицкая М.В., Шаповалова Л.М., Бут Л.И., Худайбергенова А.А. К во-
просу о влиянии углеводородов нефти на содержание азота в серозем-
ных почвах // Международная научно-практическая конференция
INNOVATION: Сб. науч. статей – Т.,2007. – С.410-411.
22
Резюме
диссертации Худайбергеновой Альфии Анваровны
«Разработка технологии восстановления нефтезагрязненных почв и грунтов
(на примере Кашкадарьинского вилоята)», представленной на соискание ученой
степени кандидата технических наук
Ключевые слова:
разлив
нефти, почва, восстановление, концентрация,
классификация
,
деградация углеводородов,
агротехничекие приемы, климатиче-
ские, биологические
факторы, технологическая схема, алгоритм проведения работ.
Объекты исследования:
почвы, загрязненные в результате разлива нефти.
Цель работы:
исследование и разработка новой технологии восстановления
нефтезагрязненных почв (грунтов) с различной начальной концентрацией нефти в
них для условий Кашкадарьинского вилоята.
Методы
исследования:
физико-химический
анализ,
колоночная
хроматография, математический и статистический анализ.
Полученные результаты и их новизна:
Впервые для Республики Узбеки-
стан предложена классификация уровней загрязнения почв нефтью; выявлены за-
висимости скорости деградации углеводородов от применения методов восстанов-
ления почвы и влияния факторов окружающей среды; разработаны технологий
восстановления нефтезагрязненных почв с различной начальной концентрацией
УВ; построены прогнозные математические модели течения и сроков завершения
процессов восстановления загрязненных почв.
Практическая значимость:
Предложена классификация уровней загрязне-
ния почв нефтью, которая может быть использована как для оценки нефтяных раз-
ливов, так и при выборе технологий восстановления почв. Предложен алгоритм
проведения работ по восстановлению почвы с различными степенями загрязнения,
а также технологическая схема восстановления почвы с различными уровнями за-
грязнения.
Теоретические и практические результаты исследований могут быть исполь-
зованы для учебного курса «Технологии защиты окружающей среды по специаль-
ности «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ре-
сурсов».
Степень внедрения и экономическая эффективность:
результаты иссле-
дований были реализованы при восстановлении почвы после аварийного разлива
нефти на территории месторождения Южный Кызылбайрак. Акт внедрения науч-
ной работы от 05.08.08 г. Разработан «Регламент на восстановление нефтезагряз-
ненных почв (грунтов) на контрактной площади Юго-Западный Гиссар», полу-
чивший согласование и рекомендации к применению Государственной экологиче-
ской экспертизой Государственного комитета по охране природы Республики Уз-
бекистан № 18/162з от 30.03.09 г.
Область применения:
предприятия нефтегазовой отрасли и охрана окру-
жающей среды.
23
Техника фанлари номзоди илмий даражасига талабгор
Худайбергенова Альфия Анваровнанинг “Нефт билан ифлосланган
тупроқ ва ерларни қайта тиклаш технологиясини ишлаб чиқиш
(Қашқадарѐ вилояти мисолида)” мавзусидаги диссертациянинг
Р Е З Ю М Е С И
Таянч (энг муҳим) сўзлар:
нефт тошиб кетиши, тупроқ, қайта тиклаш,
қуюқлик, таснифлаш, углеводородлар таназзули, агротехник усуллар, иқлимий,
биологик омиллар, технологик тарҳ, ишларни бажариш алгоритми.
Тадқиқот объектлари:
нефт тошиб кетиши натижасида ифлосланган
тупроқлар.
Ишнинг мақсади:
Қашқадарѐ вилоятининг шароити учун нефтнинг турли
бошланғич қуюқлигидаги нефт билан ифлосланган тупроқларни (ерларни) ўрганиш
ва уларни қайта тиклаш технологиясини ишлаб чиқиш.
Тадқиқот методлари:
физик-кимѐвий таҳлил, устунли хроматография,
математик ва статистик таҳлил.
Олинган натижалар ва уларнинг янгилиги:
Ўзбекистон Республикаси
учун илк бор тупроқларни нефт билан ифлосланиш даражаларини таснифлаш
таклиф қилинди; углеводородлар таназзулининг тезлиги тупроқни қайта тиклаш
усулларини қўллашга ва атроф-муҳит омилларининг таъсирига боғлиқлиги
аниқланди; углеводородларнинг турли бошланғич қуюқлигидаги нефт билан
ифлосланган тупроқларни қайта тиклаш технологиялари ишлаб чиқилди;
ифлосланган тупроқларнинг қайта тиқлаш жараѐнлари ўтиши ва тугаш
муддатларининг истиқболли математик моделлари яратилди.
Амалий аҳамияти:
тупроқларни нефт билан ифлосланиш даражаларини
таснифлаш таклиф қилинди, у нефт тошиб кетишларини баҳолашда ҳам,
тупроқларни қайта тиклаш технологиясини танлашда ҳам қўлланилиши мумкин.
Турли ифлосланиш даражали тупроқларни қайта тиклаш бўйича ишларни олиб
бориш алгоритми ҳамда турли ифлосланиш даражали тупроқларни қайта
тиклашнинг технологик тарҳи таклиф қилинди.
Тадқиқотларнинг назарий ва амалий натижаларидан “Атроф-муҳит
муҳофазаси ва табиий ресурслардан оқилона фойдаланиш” мутахассислиги бўйича
“Атроф-муҳитни ҳимоя қилиш технологиялари” ўқув курсида фойдаланилиш
мумкин.
Татбиқ этиш даражаси ва иқтисодий самарадорлиги:
тадқиқодларнинг
натижалари Жанубий Қизилбайроқ кони ҳудудида фавқулодда нефт тошиб
кетганидан сўнг тупроқни қайта тиклашда амалга оширилди. 05.08.2008 йилдаги
Илмий ишни татбиқ этиш далолатномаси. Ўзбекистон Республикаси Табиатни
муҳофаза қилиш давлат қўмитасининг Давлат экологик экспертизаси билан
келишилган ва қўллашга тавсиялар олган 30.03.2009 йилдаги 18/162а-сонли
“Жанубий-Ғарбий Ҳисор шартнома майдонида нефт билан ифлосланган
тупроқларни (ерларни) қайта тиклаш тартиботи” ишлаб чиқилди.
Қўлланиш (фойдаланиш) соҳаси:
нефт ва газ соҳаси корхоналари ҳамда
атроф-муҳитни ҳимоя қилиш.
24
RESUME
Khudaybergenova, Alfia Anvarovna,
Candidate's Thesis. Subject: “Development of Technology for Oily Soils and Earth Re-
habilitation” (based of the Kashkadarya region).
Key words:
oil spill, soil, rehabilitation, concentration, classification, hydrocar-
bon degradation, agrotechnical techniques, climatic and biological factors, flow diagram,
algorithm of execution of works.
Study Objects:
soils polluted as a result of oil spill.
Purpose of the Work
: study and development of a new technology for rehabilita-
tion of oily soils (earth) with different initial concentration of oil in them in the Kash-
kadarya region environment.
Research Methods
: physical-chemical analysis, column chromatography, math-
ematical and statistical analysis.
Results Obtained and their Novelty:
a classification of oil pollution levels
of the
soils for the Republic of Uzbekistan was given for the first time; dependence of hydro-
carbon degradation rate on application of soil rehabilitation methods and influence of en-
vironmental factors was identified; new technologies for rehabilitation of oily soils
(earth) with different initial HC concentration of oil were developed; predictive mathe-
matical models of processes for polluted soil rehabilitation and their completion were
made.
Practical Importance:
a classification of oil pollution levels of soils, which may
by used both for assessment of oil spills and in selection of soil rehabilitation technolo-
gies was proposed. An algorithm for work execution to restore the soils with different
pollution level as well as technological scheme for rehabilitation of the soils with differ-
ent pollution levels was proposed. Theoretical and practical results of the study may be
used for training course “Technologies for Environmental Protection in specialty of “En-
vironmental Protection and Natural Resources Conservation”.
Introduction Rate and Economic Efficiency:
the results of the
study were used
to rehabilitate the soils after an accidental spill of oil in the territory of the Yuzhny Ky-
zylbayrak oil field. Adoption Act of this scientific work was issued on 05.08.08. The de-
veloped “Regulation for Rehabilitation of Oily Soils (Earth) at the Yugo-Zapadny Gissar
Contract site” was approved and recommended for application by the State Ecological
Expertise of the State Committee for Nature Protection of the Republic of Uzbekistan No
18/162з dated 30.03.09.
Filed of application:
oil-gas enterprises and environmental protection.
