книги / Нефтяные сорбенты

ГЛАВА 1

НЕФТЕЗАГРЯЗНЕНИЯ.

ДИАГНОСТИКА

1.1.Оценка проблемы

Впоследнее время, в связи с резким ухудшением экологи­ ческой обстановки на всей Земле, решение проблем защиты ра­ стительного и животного мира от техногенного воздействия ста­ новится настоятельной необходимостью. Немаловажной состав­ ляющей этой большой проблемы является ликвидация послед­ ствий разливов нефти в результате аварийных ситуаций раз­ личного масштаба и попадания нефти и нефтепродуктов в вод­ ную среду. Расчеты, выполненные в 1974 г., показали, что в начале 70-х годов в Мировой океан по различным причинам ежегодно поступало до 10... 12 млн т нефти [174]. По оценке Национальной академии наук США в конце 70-х годов (по дан­ ным 1980 г.) ежегодно в Мировой океан и моря попадало около 3,2 млн т углеводородов нефтяного происхождения [205]. По данным ООН ежегодное поступление нефти в моря и океаны

оценивается в 6...7 млн т [77], а по мнению авторов [77] - в 10 млн т нефтепродуктов.

Хотя приведенные цифры несколько отличаются по своим аб­ солютным значениям, все же потери углеводородного сырья явля­ ются величиной одного порядка и исчисляются миллионами тонн.

По характеру возникновения загрязнения подразделяют на естественные и антропогенные. Естественные загрязнения воз­ никают в результате природных процессов, вне всякого влия­ ния человека на эти процессы, антропогенные - в результате хозяйственной деятельности человека.

Естественные загрязнения обусловлены, например, проса­ чиванием нефти на некоторых участках морского дна, за счет

эрозионных процессов. Естественные выходы нефти приуроче­ ны к крупным нефтеносным районам, расположенным на кон­ тинентальном шельфе у берегов Южной Калифорнии, в Мек­ сиканском и Персидском заливах, Карибском море. Поступле­ ние нефти из этих источников в водную среду незначительно и оценивается приблизительно в 0,5 млн т нефти в год [168].

Основную массу загрязнений Мирового океана (поряд­ ка 95 %) поставляют источники антропогенного происхождения. Различают несколько групп источников загрязнения Мирового океана [77]:

-морские - морской транспорт, военные корабли, суда раз­ личного назначения, трубопроводы, установки и устройства, ис­ пользуемые при разведке и разработке ресурсов морского дна и его недр;

-наземные - реки, озера и другие водные системы, куда загрязняющие вещества попадают с грунтовыми водами, а так­ же в результате сброса сточных вод с различных береговых объектов;

-атмосферные - различные промышленные предприя­ тия, транспортные средства и другие объекты, откуда могут про­ исходить выбросы в атмосферу углеводородных соединений;

-военные загрязнения - возникают в результате военных конфликтов и войн.

Морские загрязнения. К одному из основных источников нефтяных загрязнений морской среды следует отнести морс­ кой транспорт и, прежде всего, танкерный, общая вместимость которого характеризуется величиной более 120 млн брутто-ре- гистровых тонн, что свыше одной трети вместимости всех мор­ ских транспортных средств. В мире задействован гигантский танкерный флот, порядка 230 судов, грузоподъемностью от 200 до 700 тыс. т каждое. Они представляют колоссальную потен­ циальную опасность для вод Мирового океана, поскольку из-за аварий на танкерах в моря и океаны поступает примерно 5% всей перевозимой нефти [77]. К наиболее значимым и крупным авариям на танкерном флоте с 1960 по 2000 год можно отнести [60, 90, 109, 202].

В 1967 г. у берегов Великобритании сел на мель танкер «Тоггеу Canyon». В море вылилось почти 123 тыс. м3 нефти. Для очистки побережья использовано 10 тыс. тонн химических детергентов, применение которых оказалось более вредным для природы, чем сама нефть.

Танкер «Metula» потерпел аварию у южного побережья Чили в 1974 г., в результате чего в море попало 53,5 тыс. т легкой аравийской нефти. Никакие специальные методы очис­ тки не применялись. За ходом естественной самоочистки на­ блюдения проводились в течение 12 лет.

В марте 1978 г. при аварии танкера «Amoco Cadis» у бере­ гов провинции Бретань (Ф ранция) в море было вылито 233 тыс. т нефти и загрязнено 818 миль береговой линии. Ос­ татки выветрившейся нефти проявлялись длительное время (даже через 13 лет) на участках с различной степенью загряз­ ненности —от умеренных и до сильно загрязненных.

Впорту Клайпеды в 1981 г. в результате аварии из танкера «Globe Asimi» в воду попало 17 тыс. тонн мазута.

У побережья Аляски в 1989 г. налетел на рифы танкер «Exxon Vodez». В море вытекло 40 тыс. м3 нефти. На сбор и ликвидацию последствий аварии компания «Exxon» привлекла около 1400 судов, 84 самолета и 150 км боновых заграждений, израсходовала 100 тыс. м3 топлива. В пиковые периоды расход холодной воды составлял как в городе с населением в 1 млн чел,

атеплой - как в 500-тысячном городе. Понесенные затраты определены величиной в 2,5 млрд долларов. Восстановление природных ландшафтов Аляски на месте катастрофы не наблю­ далось и через 12 лет.

Вноябре 2002 г. у берегов Испании трагически заверши­ лась катастрофа нефтеналивного танкера «Prestige». Катастро­ фа могла бы быть предотвращена, если бы судно было оборудо­ вано двойным корпусом, как это предусмотрено международ­ ными соглашениями. Отсутствие двойного корпуса привело к снижению общей прочности, танкер развалился на две части и затонул. В море попало свыше 20 тыс. т мазута, а шлейфовый след от него наблюдался на протяжении 17 километров. Боль­

шая часть опасного груза надолго осталась на дне Атлантики, где глубина океана достигает 3500 м. Как надеются экологи, при низкой температуре воды мазут в танках застынет.

Огромное количество нефти попадает в море в результате сброса с нефтеналивных судов промывочных, балластных и льяльных (трюмных) вод, а таюке потерь при погрузке и раз­ грузке танкеров. По этим причинам в морях и океанах ежегод­ но оказывается около 3 млн т нефти [77]. При этом в основном загрязняются территории портов, припортовые акватории, при­ брежные районы и районы интенсивного судоходства.

Еще 350 тыс. т нефти оказывается в море при перевозках различных грузов и в результате аварий, не связанных с нефтя­ ной промышленностью. В 1985 году при добыче нефти на мор­ ских площадях около 50 тыс. т вытекло в море, что составило лишь 1,5 % общего объема попавшей в море нефти.

Наземные загрязнения. Важное значение имеют не только объемы и состав нефтяных загрязнений, но и форма их поступ­ ления в гидросферу. Обычно рассматривают варианты поступ­ ления нефти в виде нефтяных потоков или сликов, которые за­ тем трансформируются со временем в эмульсии и другие фор­ мы. Это вероятно только при аварийных разливах нефти. Вопре­ ки широко распространенному мнению, свыше 75 % нефтяных загрязнений, преимущественно в эмульгированном состоянии, поступают в гидросферу при безаварийных ситуациях с нефте­ содержащими водами, объемы которых составляют сотни мил­ лиардов кубических метров в год, а содержание в них «нефти» часто превышает ПДК в сотни тысяч раз [70]. Поступление не­ фтяных загрязнений в гидросферу происходит за счет добычи и хранения нефти и нефтепродуктов, эксплуатации оборудования нефтеперерабатывающих, нефтехимических, машиностроитель­ ных заводов и производств, автомобильного транспорта и т.п. По различным оценкам, в процессе добычи, подготовки и транспор­ та теряется от 1 до 16,5 % добываемой нефти и продуктов ее переработки. Из них до 20 % нефти попадает в водоемы [190].

В городах средней полосы с каждого гектара площади в год отводится 1000...3000 м3 дождевых стоков, содержащих от 7 до

20 мг/л нефтепродуктов. Особенно неблагополучны в отноше­ нии нефтяных загрязнений мегаполисы. Наконец, все больше получает огласку состояние дел на участках территорий, где загрязнение нефтепродуктами многократно превышает ПДК, но считается само собой разумеющимся. Это АЗС, нефтебазы, аэро­ дромы, военные части и базы, под которыми все чаще находят огромные «линзы» нефтепродуктов [70]. Так, по данным [54], только в районе г. Энгельса и г. Ейска площадь загрязненных нефтепродуктами земель достигает 3,1 тыс. га, а под г. Энгель­ сом на глубине 0,8...5,27 м, по оценкам авторов, находится до 25 тыс. м3 керосина.

Атмосферные загрязнения. Большое количество нефтепро­ дуктов попадает в океанические бассейны из атмосферы. На­ пример, двигатели внутреннего сгорания, которыми оснащены различные транспортные средства, выбрасывают в воздух в год более 50 млн т различных углеводородов [77], которые после конденсации выпадают вместе с дождями и т.п.

Военные загрязнения. В результате войны в январе-фев­ рале 1991 г. в Персидский залив попало от 500 тыс. до 1 млн т нефти, главным образом с месторождения Меш-АЬтасй (Ку­ вейт). Загрязнение береговой полосы произошло на протя­ жении 650 км - от иракско-кувейтской границы до полуост­ рова Абу-Али (Саудовская Аравия) [201, 202], а ширина по­ лосы загрязнения составила от нескольких метров до сотен метров. С поверхности моря нефть была собрана уже в мае 1991 г., однако берег еще долгое время оставался загрязнен­ ным из-за превращения нефти в смолистую и асфальтопо­ добную массу.

Под воздействием приливов и отливов происходило пере­ мешивание загрязненных частиц песка, застаревшей нефти и продуктов ее деградации. Во время отливов вода, отступающая с береговой полосы с большим уклоном и содержащая загряз­ ненные частицы, уходя с берега, а затем под влиянием течений переносила их в другие места побережья. В результате проис­ ходило вторичное загрязнение как водной поверхности, так и береговой полосы.

ВРоссии из-за военных конфликтов потоки нефтепродуктов по­ ступают с территории Чечни через Дагестан в Каспийское море [55].

Врезультате попадания нефти в водную среду образуются зоны устойчивого скопления углеводородов.

Наиболее неблагополучное положение характерно для зак­ рытых морей. Так, например, в акватории Черного моря концен­ трация нефтяных углеводородов в некоторых участках опреде­ лена в пределах 0,3...0,6 мг/л [108]. На долю мелкого Балтийско­ го моря, площадь которого составляет лишь 0,1 % поверхности Мирового океана, приходится до 3 % суммарного нефтяного заг­ рязнения. В Балтийское море ежегодно поступает из разных ис­ точников до 100 тыс. тонн нефти и нефтепродуктов [100]. Доми­ нирующая форма существования и миграции загрязняющих ве­ ществ нефтяного происхождения в водах Балтийского моря, по­ рядка 64 %, распределена в объеме вод, 17 % находится в истин­ но- и коллоидно-растворенном состоянии, 0,1 % сорбирована на грубой взвеси, 15 % находится в составе донных осадков, 0,02 % -

втонком поверхностном микрослое вод и лишь 3,6 % - в виде нефтяной пленки на водной поверхности [70].

ВРоссии потери нефти в результате нарушения целостности магистральных и внутрипромысловых трубопроводов достигают огромных величин и колеблются, по оценкам разных исследовате­ лей, в довольно широком диапазоне. Так, исследования проведен­ ные И.И. Мазуром, показывают, что потери нефти в результате ава­ рийных проливов составляют около 3 % от годовой добычи нефти или примерно 9 млн т в год [91]. В еще большую величину оцени­ вает потери нефти В.Ж. Аренс, которые, по его мнению, достигают порядка 25 млн т в год [53], хотя по официальным источникам они составляют всего 4,8 млн т [170]. С. Островский, ссылаясь на дан­ ные Международного социально-экологического союза, считает, что потери нефти составляют около 4,5 млн т в год [175].

Основные потери нефти в РФ наблюдаются в системе тру­ бопроводного транспорта. При транспортировке нефти по внутрипромысловым и магистральным продуктопроводам на всей территории России ежегодно отмечается около 40 тыс. аварий, из которых до 40 аварий - крупные. Согласно статистическим

данным отказов, происходящих на эксплуатируемых нефтепро­ водах, отмечается, что из всей совокупности отказов около 18 % приходится на отказы со значительным экологическим ущер­ бом [196]. При этом среднегодовой ущерб на один отказ магис­ трального нефтепровода составляет: загрязнение нефтью вос­ требованных сельскохозяйственных земель —4 га; попадание нефти в водоемы, имеющие промысловое значение, - 350 м3.

Магистральные нефтепроводы представляют собой геотех­ нические сооружения значительной линейной протяженности с высоким уровнем энергонапряженности эксплуатируемых объек­ тов, пожароопасностью транспортируемых продуктов, разноха­ рактерностью природных ландшафтов, геолого-минералогичес­ кими и другими факторами. В связи с этим и со значительным объемом транспортируемой нефти каждая авария в этой системе выливается в экологическую катастрофу регионального значе­ ния. Наиболее серьезные аварии произошли: в апреле 1992 г. авария магистрального коллектора Харьягинского месторожде­ ния (вылилось 20 тыс. т); летом 1994 года в Усинском районе Республики Коми на участке «Возей-Головные сооружения» (по разным оценкам от 100 до 200 тыс. тонн нефти); в 1995 г. на магистральном нефтепроводе Туймазы-Омск-Новосибирск с по­ паданием нефтепродуктов в р. Белая (около 460 т); на насосной нефтепровода Самара—Лисичанск (>2000 т). В июне 1996 г. око­ ло 400 т нефти вылилось в озеро Оленье вблизи г. Североморска Мурманской области в результате порыва нефтепровода. В ре­ зультате поверхность озера оказалась покрыта пленкой нефти толщиной 10 мм на площади более 16 тыс. м2. В 1996 г. из иефтепродуктопровода Туймазы-Омск-Новосибирск в р. Белая по­ пало 1000 т нефти, причем 10...15 % нефти успело образовать трудноудаляемые квазиколлоиды с водой [54]. В 1996 г. из неф­ тепровода Тихорецк-Лисичанск в р. Крепкая и на поверхность рельефа местности вылилось более 2000 т нефти [175].

На территории РФ расположено более 49 тыс. км магист­ ральных трубопроводов с 404 насосными станциями и резерву­ арными емкостями на 13,2 млн м3 нефти (1999 г.). При этом из них 17% нефтепроводов служат более 30 лет, 28% - от 20 до

Следует учитывать, что проблема сбора разлитой нефти яв­ ляется не только важным социальным аспектом охраны окру­ жающей среды, но и одним из существенных резервов для вос­ полнения энергетических ресурсов.

Какими бы серьезными экологическими катастрофами ни были вышеупомянутые аварии в системе трубопроводного транс­ порта, они все же являются единичными случаями, хотя и весь­ ма показательными, поскольку нормальная и стабильная рабо­ та предприятия как раз и характеризуется этими случайными «узкими местами».

Надежная работа трубопроводов характеризуется аварий­ ностью. В 1970 г. на 1000 км магистральных нефтепроводов приходилось в среднем 3,87 аварий в год, а к периоду 1990— 1995 гг. эта величина снизилась до 0,21...0,25 аварий [94]. В 1993 году аварийность находилась на уровне 0,24 [54], а в 1995 году - 0,3 аварии на 1000 км (Г. Шмаль, 1996). В 1999 г. пока­ затель аварийности нефтепроводов, по данным Управления эко­ логии М интопэнерго РФ , составил всего 0,06 аварии на 1000 км [167]. По сведениям весьма компетентных организаций «ССЖСААУЕ» и «ЕвЮ » аварийность на нефтепроводах в стра­ нах Западной Европы в течение периода 1984-1990 гг. состави­ ла 0,8 на 1000 км в год, в США - 0,6...0,8, в странах СНГ - 0,33 на 1000 км в год (Г. Шмаль, 1996). Приведенные данные свиде­ тельствуют о более низких показателях аварийности магист­ ральных трубопроводов в России по сравнению с аналогичны­ ми показателями в западных странах.

1.2. Методы обнаружения нефтезагрязнений на водной поверхности

При решении вопросов, связанных с экологической безо­ пасностью промысловых объектов нефтегазодобывающих пред­ приятий, первоочередная задача заключается в предупрежде­ нии и своевременном обнаружении загрязнения окружающей природной среды в результате несанкционированных сбросов и аварийных разливов нефти. Реализация этих задач может быть осуществлена путем регулярного диагностического обследова­

ния наиболее опасных технических объектов, своевременного осуществления предупредительных и ремонтно-восстановитель­ ных работ, экологического состояния природных объектов в зоне деятельности нефтегазодобывающих предприятий.

Диагностику технического состояния нефтепромысловых объектов, ввиду ее достаточной сложности и трудоемкости, вы­ полняют, как правило, специализированные предприятия.

Нефтегазодобывающие предприятия с целью своевремен­ ного обнаружения утечек и разливов нефти осуществляют пе­ риодический осмотр наиболее опасных объектов. Наряду с этим практически повсеместно на опасных объектах, связанных с до­ бычей, перекачкой, хранением и переработкой нефти и нефте­ продуктов, внедряются системы параметрической диагностики, которые обеспечивают постоянный контроль за надежностью производственных объектов непрерывно в течение всего пери­ ода их активной эксплуатации и дискретно позволяют опреде­ лять возможное место аварийной ситуации.

Для очистки поверхности водоемов от нефтепродуктов не­ обходимо своевременное обнаружение их загрязненных участ­ ков. С этой целью используют оперативные дистанционные ме­ тоды индикации пленочных нефтепродуктов в природных во­ дах (фотографический, визуального контроля и аэросъемки, пассивный, активный, радиоактивный, радиолокационный), основанные на контрасте электромагнитных свойств пленки нефти и чистой воды. Необходимо отметить, что дистанционный контроль на современном уровне предназначен только для об­ наружения загрязнения воды пленочными нефтепродуктами. Новые, более совершенные методы индикации осуществляют на основе комплексных исследований, включающих контакт­ ные и дистанционные методы контроля [195].

В настоящее время предложен ряд дистанционных мето­ дов контроля, базирующихся на различии оптических, тепло­ вых и радиоактивных свойств воды, загрязненной нефтепро­ дуктами, и чистой воды [74].

При разливах нефти поверхностные слои нарушают термо­ динамическое равновесие, что приводит к образованию темпе­