На правах рукописи СИНЬКОВА Елена Алексеевна РАЦИОНАЛЬНЫЕ СПОСОБЫ САНИРОВАНИЯ

На правах рукописи
СИНЬКОВА Елена Алексеевна
РАЦИОНАЛЬНЫЕ СПОСОБЫ САНИРОВАНИЯ
ОЧАГОВ ТЕХНОГЕННОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ
УГЛЕВОДОРОДНЫМИ СОЕДИНЕНИЯМИ
Специальность 25.00.36 – Геоэкология
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Санкт-Петербург
2006
1
Работа выполнена в Государственном образовательном
учреждении высшего профессионального образования
Санкт-Петербургском государственном горном институте
имени Г.В. Плеханова (техническом университете)
Научный руководитель:
Заслуженный деятель науки РФ,
доктор технических наук, профессор
Шувалов Юрий Васильевич
Официальные оппоненты:
доктор биологических наук
Юрлова Надежда Александровна,
кандидат технических наук, доцент
Литвинова Татьяна Евгеньевна
Ведущая организация – ЗАО «Экопром».
Защита диссертации состоится 24 ноября 2006 г.
в 13 ч 15 мин на заседании диссертационного совета
Д 212.224.06 в Санкт-Петербургском государственном
горном институте имени Г.В. Плеханова (техническом
университете) по адресу: 199106, Санкт-Петербург, 21-я
линия, дом 2, ауд. № 1160.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке
Санкт-Петербургского
государственного
горного
института.
Автореферат разослан 23 октября 2006 г.
УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ
диссертационного совета
д.т.н., профессор
Э.И. БОГУСЛАВСКИЙ
2
АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ.
За последние 20 лет мировое энергопотребление увеличилось на
38%, в том числе использование нефти – на 12%, добыча которой в
России составляет сейчас более 470 млн.т/год. С увеличением объемов добычи и использования нефти и нефтепродуктов (дизтопливо,
мазут, керосин, бензин и др.) непрерывно растут масштабы нефтяного загрязнения (контаминации) гидро- и геосферы вследствие локальных или линейных разливов из подземных и наземных хранилищ, складов на территориях нефтеперерабатывающих заводов, автозаправочных станций, складов горюче-смазочных материалов, автопарков, железнодорожных депо и др.
Объем нефтезагрязненного грунта в России составляет около 510
млн.т/год, в том числе на территориях железнодорожных предприятий ≈ 330 млн.т/год, нефтебаз - 80 млн.т/год, НПЗ - 100 млн.т/год, из
них нефтешламов на необорудованных площадках – 1,4 млн.т/год.
Таким образом, в подземную гидросферу попадают тысячи кубометров нефтяных углеводородов, приводящих к образованию подземных линз и техногенных месторождений.
Нефть и нефтепродукты губят не только флору и фауну, но и
наносят прямой вред здоровью человека. Опасность поллютантов
обусловлена их биохимической активностью и чрезвычайной подвижностью жидких и газообразных форм, способствующих распространению от источника загрязнения на сотни и тысячи метров с
образованием гидро-, лито-, био- и атмохимических ореолов загрязнения. Следствием этого является отчуждение сельскохозяйственных земель, лесопосадок, водных объектов и водозаборов.
В связи с этим все более актуальной становится разработка рациональных способов санации очагов техногенного загрязнения углеводородными соединениями. Опыты ведущих исследователей данной проблемы (Аренса В.Ж., Гриценко А.И., Богданова В.Л., Солнцевой Н.П., Мироненко В.А., Середина В.В. и др.) указывают, что в
каждом случае необходима индивидуальная комбинация механических, физико-химических и биологических способов очистки нефтяной контаминации.
Наиболее выгодным являются методы биоремедиации, основанные на применении биопрепаратов и аэрировании подземного про3
странства посредствам вертикальных и горизонтальных фильтров.
Однако необходимо учитывать особенности фильтрации газовоздушных смесей, температурные изменения, биологический риск и
эффективность санационных мероприятий от способа воздействия
на почвогрунты.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Снижение техногенной нагрузки на почву и
горный массив на территории очагов нефтяного загрязнения.
ИДЕЯ РАБОТЫ: выбор рациональных способов очистки нефтезагрязненных почвогрунтов должен осуществляться с учетом предложенных критериальных зависимостей эффективности мероприятий от вида воздействия, особенностей природно-климатической,
геологической обстановки и свойств основного поллютанта.
ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ:
 выявление закономерностей формирования гидро-, лито-, био-,
атмохимических ореолов нефтяной контаминации почвогрунтов в
различных природно-климатических зонах;
 классификация источников нефтяного загрязнения по характеру расположения и степени воздействия на ОС;
 оценка способов рекультивации ОС от нефтяных поллютантов
по степени очистки, материальных и временных затрат;
 проведение экспериментов по биорекультивации на опытной
физической модели очага нефтяного загрязнения почвогрунтов для
определения характера процессов фильтрации в них газовоздушных
смесей и обоснования геоэкологических критериев;
 обоснование возможности применения биорекультивации в
разных климатических зонах на основе решения оригинальных термодинамических задач для определения времени протаивания и необходимого количества теплоты в зависимости от температурных,
физических, гранулометрических показателей промороженных
нефтезагрязненных грунтов;
 разработка схемы комплексной очистки почвогрунтов от
нефтяных поллютантов на объекте исследований и определение величины предотвращенного экологического ущерба.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ. Выявлены закономерности
4
изменения состояния почвогрунтов в зависимости от физических
параметров среды при механическом и бактериальном способах
очистки, базирующиеся на разработанном методе решения оригинальной термодинамической задачи, а также результатах физического и компьютерного моделирования.
ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ:
1. На территории нефтяной контаминации процессы фильтрации
газовоздушных смесей отвечают в основном ламинарному характеру
движения и зависят от структуры загрязненных почво-грунтов
(влажности, плотности, гранулометрического состава), свойств основного поллютанта, способов расположения и конструкции аэрирующих скважин (фильтров).
2. Для создания оптимальных условий жизнедеятельности аборигенной углеводородокисляющей микрофлоры в температурных
условиях почвогрунтов Северных регионов необходим предварительный их прогрев, который определяется свойствами среды, интенсивностью действия источников тепла, их пространственной
ориентацией на основе суперпозиции температурных полей.
3. Основой выбора комплекса методов очистки являются предложенные критериальные зависимости эффективности санационных
мероприятий от способа воздействия на нефтезагрязненные почвогрунты, базирующиеся на показателях степени загрязнения
нефтяными поллютантами и величины материальных затрат.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.
В качестве основных методов исследований применялись:
 системный анализ источников и факторов загрязнения нефтью
и нефтепродуктами природной среды;
 аналитические, геологические, гидрогеологические, ландшафтно-геохимические, экспериментальные работы в лабораторных и
полевых условиях;
 методы физического и численного моделирования.
ДОСТОВЕРНОСТЬ НАУЧНЫХ ПОЛОЖЕНИЙ, ВЫВОДОВ
И РЕКОМЕНДАЦИЙ подтверждается значительным объёмом фактического материала, использованием современных методов аналитических расчетов, результатами компьютерного моделирования и
5
химического анализа образцов, положительным опытом практического использования, а также непротиворечием результатам исследований других авторов.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ. Создана методика расчета физических параметров нефтезагрязненных почвогрунтов при бактериальной очистке. Обоснован состав технических
средств и сил по предупреждению и ликвидации нефтяной контаминации геологической среды.
ЛИЧНЫЙ ВКЛАД АВТОРА. Постановка цели, задач и разработка методологии исследований; личное участие в проведении
комплекса исследований; создание физической модели очага техногенного нефтяного загрязнения почвогрунтов; разработка методов
решения оригинальных термодинамических задач и определения
физических параметров системы очистки; создание компьютерной
модели нефтяной контаминации геологической среды на основе современных пакетов программ.
РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ:
 разработанные технические предложения по ликвидации
нефтяного загрязнения почвогрунтов и схемы экологического мониторинга предложены и внедрены на территории мазутного хозяйства
воинской части в районе г. Приозерск;
 научные и практические результаты работы могут использоваться в учебном процессе при подготовке специалистов горногеологического профиля при проведении занятий по дисциплинам:
«Экология», «Экологический мониторинг» «Термодинамика».
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ: содержание и основные положения
диссертационной работы докладывались на ежегодных конференциях молодых ученых и студентов СПГГИ (ТУ) «Полезные ископаемые России и их освоение» (СПб, 1999-2003 г.г.), Межвузовской молодежной конференции «Школа экологической геологии и рационального недропользования» в СПГУ (СПб, 2001 г.), VI Международной экологической конференции студентов и молодых ученых
Московского союза НИО (Москва, 2002 г.).
ПУБЛИКАЦИИ.
6
По теме работы опубликовано 9 печатных трудов.
ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и
библиографического списка. Содержит 240 страницы машинописного
текста, 107 рисунков, 46 таблиц, список литературы из 108 наименований и 6 приложений.
Автор искренне благодарен проф. Ю.В. Шувалову за научное руководство работой и ценные научные консультации, доц. Н.Н. Смирновой и к.г.-м.н. В.Ю. Абрамову за научные консультации и сотрудничество при проведении исследований.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
1. На территории нефтяной контаминации процессы фильтрации газовоздушных смесей отвечают в основном ламинарному
характеру движения и зависят от структуры загрязненных почвогрунтов (влажности, плотности, гранулометрического состава), свойств основного поллютанта, способов расположения и
конструкции аэрирующих скважин (фильтров).
В настоящее время для ликвидации нефтяной контаминации геологической среды (и водных объектов) как в России, так и за рубежом, все шире используется метод биоремедиации с сооружением
«внутригрунтового реактора», представляющего собой систему
фильтров, аэрирующих подземное пространство кислородом под
существующими производственными установками, АЗС, складами
ГСМ и др. и стимулирующих жизнедеятельность автохтонных микроорганизмов. В таких установках определенные скважины нагнетают в загрязненные горные породы воздух или водно-воздушную
смесь, другие - откачивают воздух, прошедший сквозь подземные
горизонты, насыщенный СО2 и легкими углеводородами.
Большинство положительных результатов связано с исследованиями способов отсасывания воздуха из грунта при использовании
вертикальных колодцев (фильтров), в то время как применение горизонтальных фильтров изучено недостаточно. Схемы с горизонтальными фильтрами позволяют:
1) охватить значительно большую площадь загрязнения;
7
2) перехватить восходящий поток легких УВ, стремящийся к земной
поверхности из почвенных и грунтовых горизонтов;
3) сократить экономические затраты на бурение дополнительных
скважин.
Для детального изучения способа и характеристик необходимого
оборудования целесообразно построение математической модели
биореактора в ненасыщенном грунте, где движение воздуха в грунтовом реакторе рассчитывается с использованием пакета программных средств Флуент, куда в качестве модельных уравнений входят
усредненное по времени уравнение неразрывности и уравнение Рейнольдса с расширением по закону Дарси. Однако математическая
модель не дает полной картины протекания процессов аэрации и
учет капиллярных эффектов.
В связи с этим, исследование параметров очистки грунта от
нефтяных углеводородов проводилось на опытных насыпных колонках и физической моНасос
дели, являющейся упрощенной схемой «технологии биоремедиации in situ
Манометр
с грунтовым реактором».
Компрессор
Принцип работы установки следующий (рис. 1). В
стеклянную
емкость
Рис. 1. Схема лабораторной установки для модеопределенного
сечения
лирования процесса аэрации почвогрунтов.
помещается нефтезагрязненный грунт, отобранный на территориях АЗС г.Санкт-Петербурга
(табл. 1), основные поллютанты – бензин и дизтопливо, концентрации которых измерялись на приборе «Флюорат-02». С помощью
компрессора (воздуходувки) в грунт подается воздух по перфорированной трубке. Дифференциальный манометр подсоединен к точкам
входа и выхода воздуха. По шкале регистрируются значения разности давления в мм рт. ст. Нижняя трубка является подобием горизонтально пробуренной скважины, подающей очищенный воздух, а
верхнее отверстие – подобие скважины, отбирающей загрязненный
воздух, пройденный через объем грунта, который очищается на поверхности и снова подается в систему. Основная идея представлен8
ного способа состоит в целенаправленном вскрытии зараженной зоны горизонтальными скважинами таким образом, чтобы она находилась между нижним и верхним фильтровальными уровнями обработки.
Таблица 1
Результаты измерений концентрации нефтепродутов в грунтах
Место отбора пробы
АЗС №1
АЗС №2
Обочина автомагистрали
Пром. площадка
Глубина, м
0,2-0,3
0,2-0,3
0,5-0,6
0,3
0,8-1,0
Концентрация НП, г/кг
120,9
131,1
80,6
3,2
1,9
Применение подобной технологии принципиально возможно как
в насыщенной, так и в ненасыщенной почвенной зоне, при этом
устанавливаются такие условия, которые обеспечивают оптимальное микробиологическое разложение поллютантов. Экспериментальные исследования проводились в два этапа.
I. Изучение режима движения воздуха в геологической среде. Исследуемый грунт имел неоднородный состав, с доминирующим
диаметром частиц 1-3 мм. В ходе эксперимента через загрязненный
грунт, загруженный в стеклянный цилиндр, подавался снизу вверх
воздух в разных количествах Q и при разном напоре h. Замер Q проводился в нижнем патрубке по измеренной скорости, перепад давления - с помощью дифференциального манометра. Замеры проводились не менее 5 раз. Тангенс угла наклона аппроксимирующей прямой равен 1.59, что соответствует ламинарному режиму движения
воздуха через грунт. На основании опытных данных было подсчитано число Re и коэффициент сопротивления f и построен график зависимости f =f (Re). Подсчет термодинамических величин основывался на методе М.Е. Минского (табл. 2).
Таблица 2
Расчетные показатели физических величин
Q, л/мин
5
10
15
20
25
U, м/сек·
0,0663
0,133
0,199
0,265
0,332
9
Re
0,08
0,17
0,21
0,25
0,29
f
1,11
0,51
0,41
0,35
0,31
График lg f=f(lg Re) представляет прямую (рис.2), угол наклона
которой к оси ординат равен 1350, что соответствует ламинарному
движению газа в грунте
2,5
по законам гидроаэродинамики.
2
II. Изучение характерных
параметров аэрируе1,5
100lg f
мой среды по заданным
1
значениям расхода воздуха. Целью экспериментов
0,5
являлось определение зависимости между перепа0
дом давления подаваемо-0,5
0,5
1
1,5
2
2,5
го газа и скоростью его
-0,5
10 lg Re
фильтрации; коэффициРис. 2. Определение ламинарности движеентов проницаемости, сония воздуха в почвогрунте
противления, характера
движения воздуха; влияния влажности загрязненного грунта на фильтрацию воздуха и температуры среды на испарение легких фракций УВ.
Исследуемый загрязненный грунт был практически однородного
состава с размерами зерен 0.5 - 1 мм. Движение воздуха принято ламинарным. Задаваясь значениями Q и замеряя манометром соответствующие значения перепада давлений h, определялся kф (табл. 3).
Таблица 3
Расчетные параметры моделирования
Ø,
мм
0.51.0
Q,
м3/сек
0.0015
0.0025
0.0036
m
0.403
U,
м/сек
0.075
0.11
0.16
h,
кг/м2
12.20
20.60
33.20
n
kп 10-8, м2
Re
f
1.32
0.20
0.17
0.15
0.21
0.29
0.39
2.073
1.500
1.073
Расход подаваемого воздуха может быть определен по номограмме (рис. 3) на основе известных значений влажности, kф и гранулометрического состава исследуемого грунта для построения нескольких уровней фильтровальных труб (рис. 4).
10
W, %
35
30
25
20
15
10
5
0
1
5
2
3
4
5
6
7
8
Кф,
м/сек*10-3
10
15
20
25
30
35
40
Q,
м3/сек*104
1
2
3
Классы, мм: 1 - -1+0.5 (утрамбованный); 2 - -1+0.5; 3 - -3+1.
Рис. 3. Номограмма для определения расхода воздуха при
аэрации нефтезагрязненных грунтов
Рис. 4. Схема многоуровневого внутригрунтового реактора
11
2. Для создания оптимальных условий жизнедеятельности
аборигенной углеводородокисляющей микрофлоры в температурных условиях почвогрунтов Северных регионов необходим
предварительный их прогрев, который определяется свойствами среды, интенсивностью действия источников тепла, их пространственной ориентацией на основе суперпозиции температурных полей.
Северные регионы требуют внедрения наиболее рациональных
способов санации грунтов в связи со сложными природноклиматическими условиями. В работе рассматриваются территории
складов ГСМ в районе городов Сланцы и Воркута. На этих объектах
в течение многих лет происходило регулярное площадное и линейное загрязнение почвогрунтов в результате несоблюдения технологических процессов перекачки НП и утечек их из резервуаров для
хранения и заправки автотранспорта. Геологические и природноклиматические особенности рассмотренных очагов техногенного
нефтяного загрязнения, а также температурные показатели воздуха и
грунтов указывают на наличие застойного режима биологического
круговорота и необходимость предварительного прогрева загрязненного грунта перед включением аэрирующей установки, чтобы
создать благоприятные условия для жизнедеятельности аборигенной
или привнесенной углеводородокисляющей микрофлоры (оптимальные температуры 20-25 0С)
Результаты предварительных расчетов параметров растепления
(промерзания) грунтов без учета особенностей фазового перехода
представлены в таблице 4, где τ-время растепления, F0 –параметр
Фурье, Rф – радиус влияния фильтровальной трубы.
Таблица 4
Термодинамические характеристики системы растепления
τ, сут
10
50
100
F0
370
1870
3744
Rф, м
1,0
1,5
2,0
Наиболее полную характеристику термодинамической системы
лед - горная порода дает решение задачи о промерзании жидкости
при ее движении по трубе в следующей постановке. По трубе диа12
метром 2R движется жидкость со скоростью U. Температура жидкости на входе – То. Начальная температура окружающего массива Те –
ниже температуры замерзания жидкости Тз (формула 1 - уравнение
для безразмерной температуры  жидкости).
T  T0 ,
  2θ 1 θ  ; 0< r <R;
θ
θ
(1)
θ з

U a 

τ
x
ж
 r 2

r r 
Te  T0


  1
/ r R 
r
ж
Граничные условия.
(2)
Таким образом, задача подобна задаче для «неограниченного цилиндра» с граничными условиями 3-го рода, решение которой основано на применении методов интегральных преобразований Фурье и
Ханкеля (изменение температуры среды во времени). При решении
поставленной задачи и определения времени τ (3), необходимого для
прогрева промороженных грунтов от -5 0С, использовались корни
характеристического уравнения в зависимости от чисел Нуссельта
Nu или Био Bi (табл. 5, рис. 5).


1
2
  2  ln 
 n аж
 2  2
 Nu1   з   1  ж 2 n










(3)
Где αn – корни характеристического уравнения, α- коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2∙С); λ, λж – теплопроводности горной породы и
жидкости, Вт/(м∙С); аж – температуропроводность жидкости, м2/сек.
Таблица 5.
Расчетные значения термофизических величин
аж,
м2/сек
1,5∙10-7
λж,
Вт/мК
60
σ,
м
0,2
α,
Вт/м2С
300
Тз,
С0
0
Т0,
С0
70
Те,
С0
Bi
α1
-5
0,5
0,8
1,0
2,0
5,0
8,0
10,0
0,9408
1,1490
1,2558
1,5994
1,9898
2,1286
2,1795
τз ,
сут
348
204
160
77
31
19
14
Время установления условно стационарного процесса теплоотдачи от трубопровода к слоям грунта от момента прогрева и необхо13
димое для этого количество теплоты определяется решением задачи
о прогреве и охлаждении подземного трубопровода по эмпирическим формулам.
Bi
10
8
6
4
2
αn
τ, сут
2
1.5
1
150
50
0
250
350
Рис. 5. Номограмма для определения времени растепления
промороженных грунтов
В таблице 6 представлены рассчитанные значения количества
теплоты, необходимого для прогрева окружающих трубу слоев
грунта (для промороженных загрязненных песков района г.Сланцы)
от -20С до +100С при глубине залегания ее 0,5 м и толщиной σ погранслоя 0,2 м, на основании которых построен график зависимости
количества теплоты от плотности горных пород Q=f(ρ) (рис. 6).
Таблица 6
Расчетные значения термофизических величин
ρ,
кг/м3
1200
1400
1600
1800
2000
аж,
м2/сек
σ,
м
α,
кВт/м2К
D,
м
h,
м
1,5∙10-7
0,2
3
0,1
0,5
λтв,∙103
кВт/мК
0,60
0,80
1,86
2,20
2,56
с,
кДж/(кгС)
0,92
1,00
1,10
0,96
0,96
Q,
кВт/м2
18,1
25,7
51,9
57,5
71,8
Количество теплоты, необходимое для прогрева мерзлых пород
до 150С (оптимальный минимум температуры для жизнедеятельности автохтонных углеводородокисляющих микроорганизмов) при
различных начальных значениях температур Т0 позволяет определить номограмма на рис. 7.
14
Q, кВт/м2
8
0
7
0
6
0
5
0
4
0
3
0
2
0
1
0
0
ρ, кг/м3
0
50
0
100
0
150
0
200
0
250
0
Рис. 6. Графики зависимости Q от плотности песков ρ.
ΔТ, 0С
Bi=0.5
18
16
14
Bi=1
Bi=8
12
10
8
6
4
2
Q, кВт/м2
τ, сут
0
-14
12-12
-10
8-8
-6
4-4
-2
00
100
200
300
400
Рис. 7. Номограмма для определения Q при различных начальных
значениях температур грунтов
3. Основой выбора комплекса методов очистки являются предложенные критериальные зависимости эффективности санационных мероприятий от способа воздействия на нефтезагрязненные почвогрунты, базирующиеся на показателях степени загрязнения нефтяными поллютантами и величины материальных затрат.
15
В настоящее время методы биоремедиации являются наиболее
выгодными с экономической и экологической точек зрения (рис.8).
Затраты на обеззараживание, %
Условные обозначения
120
1 – сжигание
2 – экстракция растворителями
3 – замена почвы
4 – промывка почвы
5 – термическая десорбция
6 - биоремидиация
max
min
100
80
60
40
20
0
1
2
3
4
5
6
Способы
санации
Рис. 8. Затраты на обезвреживание нефтезагрязненных почвогрунтов (в % к средней величине затрат на сжигание)
Однако они эффективны для удаления поверхностных загрязнений (до 1 м) и, в основном, в теплое время года (в течение 3-4 месяцев). Изучение нефтяного загрязнения на территориях складов ГСМ
в районах г.г. Котлас, Псков, Тольятти, С-Петербург, Приозерск и
др. говорит о необходимости применения индивидуального комплекса санационных мероприятий для каждого объекта с учетом
природно-климатических, геологических особенностей и свойств
основного поллютанта.
Примером комплексного подхода к очистке нефтезагрязненных
грунтов и водных объектов служит разработка рекультивационных
работ на территории мазутного хозяйства г. Приозерск (Ленинградская область). Необходимость проведения работ вызвана наличием
долговременного очага загрязнения геологической среды топочным
мазутом в виде поверхностных и подземных разливов нефтепродуктов, вытекающие в близлежащие искусственные водотоки (дренажные
канавы, чеки ограждающей дамбы) и залив Рыбный Ладожского озера.
По данным полевых изысканий на объекте почвогрунты по степени загрязнения нефтепродуктами делятся на мало-, средне- и
сильнозагрязненные. Таким образом, комплекс санационных меро16
приятий по очистке почвогрунтов и водных объектов должен включать механические и биологические методы, а именно: малозагрязненным грунтам с концентрацией в них НП до 3 г/кг достаточно
естественной аэрации и окисления кислородом воздуха. Среднезагрязненным (3-50 г/кг) – необходима механическая рекультивация
без экскавации их с места контаминации. Сильнозагрязненные (50500 г/кг) - необходимо вывозить на специальные временные рекультивационные площадки.
Моделирование многофазной фильтрации на участках нефтяного
загрязнения подземных вод и грунтов на основе программы T2VOC,
являющейся расширением TOUGH2 позволило определить контуры
линзы НП на настоящий момент, заданные по результатам изысканий, а также прогноз ее возможного расширения в течение 3 лет и
схему откачки нефтепродуктов (топочного мазута).
Результаты показали, что область распространения нефтешламов
весьма незначительна и не выходит за пределы территории мазутного хозяйства, а откачке подвергнутся 60-70% поллютантов. При моделировании учитывалось, что система состоит из трех основных
компонентов: воздуха, воды и летучего, сорбируемого и растворимого в воде органического флюида, а также пределы очистки отдельных поллютантов. На рисунке 9 показано сопоставление результатов расчетов при различных параметрах капиллярных кривых с
данными полевых исследований. (50 вариантов расчета).
Биологическая очистка основывалась на аэрировании почвогрунтов до глубины 0,5 м (рыхление, вспашка) и применении биопрепарата «Дестройл» с оптимальными условиями действия при температуре 20-25С и рН среды 6,0-8,0. Эффективность метода для малозагрязненных грунтов составила 80-90%, среднезагрязненных -≈65%.
Одним из критериев выбора мероприятий была величина материальных затрат (рис. 10).
По результатам проведенного комплекса санационных мероприятий по очистке данной территории от поллютантов до экологически
безопасного уровня величина предотвращенного ущерба превышает 13
млн. руб..
17
Глубина
Затраты, $/т
Рис. 9. Сопоставление результатов моделирования распределения
НП в геологическом разрезе с данными полевых наблюдений.
800
700
600
500
400
300
200
100
0
Условные обозначения
1 – биоремедиация
2 – химическая экстракция
3 – термическая обработка
max
min
1
2
3
М етоды санации почвогрунтов
Рис. 10. Стоимость методов очистки при средней концентрации НП
в почвогрунтах 15%
18
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. По характеру воздействия на ОС источники нефтяного загрязнения подразделяются на районы: эксплуатации нефтяных и газовых
месторождений; транспортировки УВ; промпредприятий (переработки, хранения и эксплуатации НП), на которые влияют природные
и техногенные процессы.
2. Применение в процессе биоремедиации системы «горизонтальных
фильтров» для аэрации нефтезагрязненных почвогрунтов дает высокий процент очистки территории, что подтверждает ее преимущество над использованием метода «вертикальных колодцев».
3. Количество воздуха, необходимого для аэрации почвогрунтов,
при ламинарном характере движения зависит от коэффициента
фильтрации, влажности, плотности, гранулометрического состава
пород и определяется по опытной номограмме.
4. Для построения «внутригрунтового реактора» на основе системы
горизонтальных фильтров в промороженных грунтах необходимо
предварительное их растепление с учетом термодинамических параметров системы. При этом количество теплоты, необходимое для
прогрева промороженных грунтов, прямо пропорционально разнице
начальных и конечных температур грунтов, а также глубине залегания оси трубопровода и зависит от времени протаивания.
5. С целью оптимизации инженерных мероприятий по ограничению
распространения нефтяной контаминации на территории мазутного
хозяйства г.Приозерск (Лен. обл.) разработана численная модель
участка загрязнения на основе программы Т2VOC, позволившая
определить контуры подземной линзы НП на настоящий момент и
дать прогноз ее возможного расширения в течение 3 лет.
6. Сопоставление данных моделирования и полевых изысканий показало необходимость применения для слабо- и среднезагрязненных
почвогрунтов принудительного аэрирования и биологическую
очистку с использованием биопрепаратов; для сильнозагрязненных
– вывоз на временные рекультивационные площадки, а также откачку НП в свободной фазе из подземных линз.
7. По результатам проведенного комплекса санационных мероприятий по очистке данной территории от поллютантов до экологи19
чески безопасного уровня величина предотвращенного ущерба превышает 13 млн. руб..
ОСНОВНЫЕ
ПОЛОЖЕНИЯ
ОПУБЛИКОВАНЫ В 9 РАБОТАХ:
ДИССЕРТАЦИИ
1. Ильина Е.А. Изучение ореолов нефтяного загрязнения в районе г. Котлас
// Материалы V Международной экологической студенческой конференции Экология России и сопредельных территорий. Экологический
катализ».- Новосибирск: изд. НГУ, 2000.- с. 168-169.
2. Ильина Е.А. Особенности изучения нефтяного загрязнения в районе г.
Пскова // Труды V Международного научного симпозиума «Проблемы
геологии и освоения недр».- Томск: изд. ПТУ, 2001.- с. 516-517.
3. Ильина Е.А. Проблемы нефтяного загрязнения в районе хранения нефтепродуктов // Материалы II Межвузовской научной конференции «Школа
экологической геологии и рационального недропользования».- СПб.:
изд. СПбГУ, 2001.- с. 183-185.
4. Ильина Е.А. Биологическая очистка загрязненных углеводородами грунтов // «РИО+10: Экологическая безопасность как ключевой фактор
устойчивого развития». Сб. докладов / Шестая международная экологическая конференция студентов и молодых ученых, том. 2. -М.: изд.
МГГУ, 2002.- с. 152-154.
5. Шувалов Ю.В. Ильина Е.А. Пути решения проблемы загрязнения грунтов жидкими углеводородами на территориях горных предприятий // Записки Горного института, том 2 «Полезные ископаемые России и их
освоение».- СПб.: СПГГИ(ТУ), 2003.- с. 99-102.
6. Ильина Е.А. Исследование эффективности очистки грунтов от загрязнения жидкими углеводородами // Вестник РАЕН, том 3, №3.-М.:изд.
РАЕН, 2003.- с. 24-31.
7. Шувалов Ю.В. Ильина Е.А. Экспериментальные исследования эффективности биологической очистки нефтезагрязненных грунтов //Записки
Горного института, том 2 «Полезные ископаемые России и их освоение».- СПб.: СПГГИ(ТУ), 2003.- с. 87-90.
8. Шувалов Ю.В. Синькова Е.А. О возможности применения биологического способа очистки грунтов от нефтяного загрязнения в районах промышленных предприятий // Горный информационно-аналитический
бюллетень, № 1.- М.: изд. МГГУ, 2004.- с. 155-159
9. Шувалов Ю.В. Синькова Е.А. Очистка грунтов от загрязнения нефтью и
нефтепродуктами // Горный информационно-аналитический бюллетень,
№ 12.- М.: изд. МГГУ, 2004.- с. 107-117
20