Биологическая очистка загрязненных нефтью и нефтепродуктами почв и водных акваторий

Министерство образования и науки

Федеральное государственное образовательное бюджетное учреждение

высшего профессионального образования

«Национальный исследовательский

Томский политехнический университет»

 

 

 

Институт природных ресурсов

Специальность «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии»

Кафедра химической технологии топлива и химической кибернетики.

 

 

 

 

 

БИОЛОГИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА ЗАГРЯЗНЕННЫХ НЕФТЬЮ И НЕФТЕПРОДУКТАМИ ПОЧВ И ВОДНЫХ АКВАТОРИЙ

 

Курсовая работа по дисциплине «Исследовательский проект»

 

 

 

 

Студент 2 курса,

2 К 11 группы                        _______________                     

     (Подпись, дата)

 

Руководитель

доцент, к.т.н.                       _______________               

(Подпись, дата)

   

 

 

Томск  2013

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

 

 

 

1. Актуальность………………………………………………………..стр.3-4;

 

2. Катастрофы………………………………………………………….стр.4-6;

 

3. Способы очистки загрязненных нефтью и нефтепродуктами почв и водных акваторий………………………………………………….стр.6-10;

 

 

4. Рекультивация и ремидиация………………………...………….стр.10-16;

 

5. Микробиологические способы очистки………………………...стр.16-23;

 

 

6. Экономическая целесообразность…………………………...….стр.23-24;

 

7. Выводы……………………………………………………………….стр.25;

 

 

8. Список литературы…………………………………………………..стр.26;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Актуальность

 

В настоящее время нефть и нефтепродукты признаны основными загрязнителями экосистемы (Eurosoil 2008). Проблема охраны окружающей среды от нефтезагрязнений приобретает все большую остроту в связи с ограниченностью возможностей и дороговизной применения для этих целей механических, физических и химических способов очистки.

В России при добыче, транспортировке, переработке и использовании нефти теряется около 8-9 млн тонн в год. Нефть, попадая в почву, вызывает в ней значительные, а порой необратимые изменения: образование битуминозных солончаков, гудронизацию и т.д Особую нагрузку при этом испытывает почва, что проявляется в ухудшении её морфологических и физико-химических свойств, угнетении самоочищающей способности и негативных изменениях развития и функциональной активности организмов почвенного биоценоза (Пиковский и др., 2003). Аварийные и хронические разливы нефти приводят к быстрой потере продуктивности земель или полной деградации ландшафтов. Ограниченность земельных ресурсов ставит неотложную задачу возврата в хозяйственное использование всех нарушенных и деградированных почв (Бурмистрова, 2003).

Также нефть и нефтепродукты оказывают негативное влияние на живые организмы и, в первую очередь, на сосудистые растения, которые вследствие прикрепления к субстратам (почве) постоянно подвергаются воздействию как глобального, так и локального загрязнения, и могут поглощать разнообразные загрязнители. Растения являются основой любого биогеоценоза, и поэтому отклонения биохимических, физиологических реакций растений, весьма чувствительных к изменению условий среды, могут служить индикатором ее состояния.

В процессе  своей жизнедеятельности растения  входят в сложные

взаимоотношения  с микроорганизмами, населяющими почву (Звягинцев,

1983). В естественных условиях обитания микроорганизмы, окружающие

растения, влияют на их рост и развитие.

Загрязнение  природной среды вызывает ответные  реакции во всех

компонентах  экосистемы, в том числе и в растительно-микробных

комплексах, нарушая сложившиеся тысячелетиями механизмы их взаимодействия. (О.В. Турковская и А.Ю. Муратова, 2005). Изучение

микроорганизмов, обитающих в нефтезагрязненных почвах важно и в связи с

их участием  в утилизации углеводородов. Поэтому представляет

значительный  интерес системное изучение действия  нефти на некоторые

эколого-физиологические  параметры роста и развития растений. Эффективная защита окружающей среды от опасных химических реагентов невозможна без достоверной информации о степени загрязнения почвы. Удобным методом определения интегральной токсичности почвы является биотестирование. Показателем степени токсичности при биотестировании служит изменение выбранной функции тест-организма при его взаимодействии с пробой среды. В качестве таких организмов могут быть использованы животные, растения, грибы, микроорганизмы (Киреева и др., 2004).

 

Несмотря на то, что технология добычи и транспортировки нефти постоянно совершенствуется с учетом защиты окружающей среды (ОС), актуальность проблемы не снижается. Такая экологическая проблема затрагивает многие страны.

 
 Катастрофы

 

Растущая добыча нефти, глобализация нефтеперевозок и ввод в эксплуатацию новых добывающих провинций с каждым годом неизбежно приводит к увеличению количества нефтеразливов и огромным финансовыми и природным потерям. С утечками нефти неизбежно связаны любые операции по ее добыче и транспортировке, хотя масштабы утечек очень различны, и могут быть, как сравнительно незначительными и легко аккумулироваться экосистемами, так и катастрофическими, уничтожая биоту целых морских районов. Физическое свойство нефти покрывать тонкой пленкой огромные акватории даже при сравнительно небольших разливах приводит к тому, что даже незначительная утечка оборачивается крайне негативными последствиями. Спустя всего 10 минут после разлива 1 тонны нефти, она покрывает область радиусом более 50 километров, формируя так называемый нефтяной слик.  Ситуация с нефтеразливами в России достаточно печальная, поскольку на ее территории в настоящее время эксплуатируется более 550 тыс. км трубопроводов. Физический и моральный износ техниче- ского оборудования, отсутствие надлежащего ведомственного контроля за его состоянием, а также нехватка обслуживающего персонала и его низкая квалификация приводят к росту числа аварий.   Гринпис России обнародовал доклад, в котором отмечена цифра в пять миллионов тонн, которые ежегодно попадают в окружающую среду. Множество водоемов по этой причине затронул экологический кризис. За последние 20 лет при всем техническом прогрессе количество нефтеразливов в России практически не сократилось, и составляет двадцать тысяч аварий в год. По этой цифре Россия уступает только Нигерии.    * Прошло 24 года после самого злополучного в мире нефтяного разлива, но компания "Эксон-Мобил" все еще не заплатила за нанесенный ущерб, а то, что произошло на самом деле, так и не было рассказано. Танкер "Эксон Валдиз" потерпел крушение 24 марта 1989 года, загрязнив нефтяной пленкой 1200 миль аляскинского побережья. суд вынес вердикт против «Эксона»: штраф в 5 млрд. долларов, но компании подала  апелляцию и  штраф снизили до 50 миллионов долларов.   * В 2012 году произошел разлив в Черном и Азовском морях. Площадь пленочного загрязнения нефтепродуктами составила в период с января по июль 613 квадратных километров. Всего обнаружено 233 пятна размером от 0,1 до 60 квадратных километров Происхождение пленочного загрязнения вод в основном - судовое, то есть вызвано утечкой топлива или сливом балластных вод, содержащих нефтепродукты. Вместе с тем, в секторе Черного моря, принадлежащем Грузии, нефтяные пленки на поверхности вод образуются, в основном, за счет естественных источников на дне моря - грифонов. Максимальные по площади разливы наблюдались в Черном море на границе российского и украинского секторов.   Всего в российских секторах Черного и Азовского морей насчитывается 118 пятен, в украинских - 52, в грузинском - 26 и в турецком - 37. Площадь акваторий, принадлежащих эти странам, соответственно - 65 тысяч квадратных километров (РФ), 130 тысяч (Украина), 23 тысячи (Грузия) и 170 тысяч  (Турция).

*Взрыв нефтяной платформы Deepwater Horizon, произошедший 20 апреля 2010 года в 80 километрах от побережья штата Луизиана в Мексиканском заливе на нефтяной платформе Deepwater Horizon на месторождении Макондо.

Это авария стала крупнейшей в истории США. Погибло 11 человек и пострадало 17 из 126 человек, находившихся на платформе, а также 2 человека погибло при ликвидации последствий катастрофы.

По состоянию на 29 апреля 2010 года нефтяное пятно достигло в окружности 965 километров и находилось на расстоянии 34 километров от побережья штата Луизиана.

В итоге в воды залива вылилось 5 миллионов баррелей нефти. 
От разлива нефти пострадали рыболовная, туристическая, нефтяная отрасли прибрежных штатов США.

Серьёзный урон рыболовной отрасли нанесло закрытие для рыболовства более 1/3 акватории Мексиканского залива, но и после снятия запрета на рыболовство существовали проблемы с реализацией продукции. Последствиями стали: мутации, болезни и изменение численности популяций

Также экономические потери понесла нефтяная отрасль, после аварии на полгода был введён мораторий на бурение, что привело к потере 13 000 рабочих мест и не выплаченным зарплатам на сумму 800 миллионов долларов США. [1] 

*Крупнейший разлив нефти в человеческой истории не был результатом аварии. Он был организован по приказу. В 1990 году Ирак захватил Кувейт. Войска антииракской коалиции, образованной 32 государствами, разбили иракскую армию и освободили Кувейт. Однако, готовясь к обороне, иракцы открыли задвижки на нефтяных терминалах и опорожнили несколько нагруженных нефтью танкеров. Этот шаг был предпринят для того, чтобы затруднить высадку десанта. До 1.5 млн. тонн нефти (различные источники приводят разные данные) вылилось в Персидский залив. Так как шли боевые действия, с последствиями катастрофы некоторое время никто не боролся. Нефть покрыла примерно 1 тыс. кв. км. поверхности залива и загрязнила около 600 км. побережий. Для того, чтобы предотвратить дальнейший разлив нефти, авиация США разбомбила несколько кувейтских нефтепроводов.  

По данным Cutter Information Corporation с подобными проблемами сталкивались 112 государств мира. Однако, на 2005 год  наибольшее количество аварий происходило в Мексиканском заливе, вблизи Северо-Восточного побережья США, в Средиземном Море, в Персидском заливе и в Северном Море. 

 

Способы очистки загрязненных нефтью и нефтепродуктами почв и водных акваторий

 

Существует 4 основных способа очистки загрязненных нефтью и нефтепродуктами почв и водных акваторий: механические, физико-химические, биологические и агрохимические.

В зависимости от степени повреждения почвы и водоемов, выбор приемов и методов рекультивации различные. В настоящее время существует большое количество методов, с помощью которых снижают и ликвидируют загрязнения нефтью и нефтепродуктами [2].

 

1)механические методы очистки почвы от нефти и нефтепродуктов. К ним относят обволоку загрязнения, замену почвы и откачку нефти в емкости, промывку почвы, сорбцию нефти и нефтепродуктов с поверхностного почвенного слоя [3].является одним из самых тяжелых и дорогих методов очистки.

 

Этот метод используют при крупных разливах нефти и нефтепродуктов, их осуществляют с помощью специального оборудования.

 

Удаление нефти с поверхности почвы проводится с помощью специальных

насосов. Сгребание загрязненного слоя осуществляется бульдозерами, экскаваторами, автомашинами или тракторами, после чего происходит захоронение слоя почвы, загрязненного нефтью. При этом возникает проблема с выбором места их расположения, так как они становятся источниками вторичного загрязнения.[2] Промывку почвы проводят

в специальных установках (например, в промывных барабанах) с применением моющих веществ, детергентов, затем промывные воды отстаиваются в гидроизолированных прудах или емкостях, где впоследствии проводят их разделение и очистку.

 

2) химические  методы, заключающиеся в добавлении к нейтрализуемой массе химических реагентов. В зависимости от типа химической реакции реагента с загрязнением происходит осаждение, окисление- восстановление, замещение, комплексообразование. Химические способы инактивации основаны на переводе загрязняющих веществ в малоподвижные соединения: известкование почв, внесение органического вещества, внесение силикатов и гидросиликатов, обработка почвы меркапто-8-триазином, внесение в почву ионообменных смол в виде гранулята или порошка, содержащих карбоновую и гидроксильную группы в H+-, Ca2+-, Mg2+-, K+-формах. Загрязненные промышленные почвы промывают разбавленной соляной кислотой, а затем вносят в них фосфорно-магниевые удобрения и силикат кальция.

 

Методы осаждения основаны на ионных реакциях с образованием малорастворимых в воде веществ и особенно эффективны при нейтрализации тяжелых металлов и радионуклидов. Метод осаждения органических загрязнений основан на двух типах реакций: комплексообразование и кристаллизация. Осаждение используют для очистки грунта от полихлорированных бифенилов, пентахлорфенолов, хлорированных и нитрированных углеводородов. Реагенты могут быть как в жидкой, так и в газообразной фазах. Однако при этом происходит увеличение объема обезвреженной массы.

 

Методы управления окислительно-восстановительной реакцией среды позволяют переводить соединения тяжелых металлов и радионуклидов в трудно растворимые в воде гидроксиды, а также разрушать цианиды, нитраты, тетра-хлориды и другие хлорорганические соединения. Для химической иммобилизации используют неорганические вяжущие вещества типа цемента, золы, силикатов калия и натрия, извести и гелеобразующих веществ (бентонит или целлюлоза). Иммобилизацию используют для связывания тяжелых металлов, радиоактивных отходов, полициклических и ароматических углеводородов, трихлорэтилена и нефтепродуктов. Недостатком комплексообразования является неустойчивость вяжущих веществ к атмосферной и грунтовой влаге, быстрым изменениям температуры, что приводит в результате к разрушению композиционного материала. Объем отходов после комплексообразования уменьшается только в 2 раза. Технология химического осаждения тяжелых металлов (Сr, Pb, Нg, Сa) и радионуклидов в грунтах осуществляется введением реакционно-способной смеси (100 ррm сероводорода в азоте) в реактор, заполненный загрязненным грунтом. Технология химического осаждения применима для грунтов с разным химико-минеральным составом и проницаемостью. После химической обработки фиксируется в породе более 90 % тяжелых металлов.

 

 В технологии обработки загрязненных  грунтов используют реагенты: известь, сульфат натрия, оксиды железа, органический  углерод. Недостатком метода является  неустойчивость образующихся композитов  к грунтовой и атмосферной  воде. При иммобилизации происходит  утрачивание нефтепродуктов как  источника энергии.

 

3) физико-химические методы. Методы, включающие 3 вида процесса:

 
- экстракция- процесс разделения смеси жидких или твёрдых веществ с помощью избирательных (селективных) растворителей (экстрагентов). Процесс экстракции включает 3 последовательные стадии: смешение исходной смеси веществ с экстрагентом; механическое разделение (расслаивание) двух образующихся фаз; удаление экстрагента из обеих фаз и его регенерацию с целью повторного использования. После механического разделения получают раствор извлекаемого вещества в экстрагенте (экстракт) и остаток исходного раствора (рафинат) или твёрдого вещества. Выделение экстрагированного вещества из экстракта и одновременно регенерация экстрагента производится дистилляцией, выпариванием, кристаллизацией, высаливанием и т. п.

Достоинствами экстракции являются низкие рабочие температуры, рентабельность извлечения веществ из разбавленных растворов, возможность разделения смесей, состоящих из близкокипящих компонентов, и азеотропных смесей, возможность сочетания с другими технологическими процессами (ректификацией, кристаллизацией), простота аппаратуры и доступность её автоматизации. Недостатком экстракции в ряде случаев является трудность полного удаления экстрагента из экстрагируемых веществ.