Нефтяное загрязнение и его последствия

Введение

Нефть и нефтепродукты  являются наиболее распространенными  загрязняющими веществами в Мировом  океане. Нефть в промышленных количествах  впервые была добыта в 1880 году. С  тех пор темы её добычи росли и  сейчас она используется для удовлетворения более чем 60% мировых энергетических потребностей. При таких масштабах  использование невозможны без потерь, которые всё время растут, загрязняя  природу. Загрязнение возникает  во многих ситуациях – при добыче, транспортировке, использовании в  качестве топлива или смазочного материала.

Гидросфера – сложная  динамическая система с биохимическим  равновесием. И, несомненно, как в  любой водной системе имеются  большие резервы для ассимилирования  отходов. Однако, во многих местах эти  резервы исчерпаны или истощены, потому ряд водных систем чрезмерно  загрязнён. Но до того, как загрязнение  будет легко обнаружено, равновесие уже может нарушиться и экологическая  структура оказывается повреждённой. Примерами могут быть – Адриатическое, Балтийское и Средиземное моря, реки Темза, Рейн и Сена, а также Великие  Озёра в США и Канаде. Но динамические системы обладают замечательной  способностью к регенерации и  даже самые загрязнённые из них могут  быть восстановлены и возвращены к активному использованию при  правильном и продуманном обращении.

В особом случае, таком как  прибрежная экологическая система, одним из важнейших факторов, который  учитывается при составлении  прогнозов, является воздействие загрязнение  на жизнь в море. Поскольку известно, что большинство из вылавливаемых  для продажи рыб размножаются и проводят начальный период жизни  на мелководье: в устьях рек, заливах  и в прибрежной водной системе. Многие рыбы, например атлантический лосось, для метания икры мигрируют из соленых вод в пресные реки. Многие ракообразные размножаются в приливных зонах и всю жизнь проводят на мелководье.

Эти районы сравнительно невелики и связаны с существованием геологических  структур, называемых континентальными шельфами. Шельфы занимают около 8% площади  океанов, приблизительно 20% всей земной поверхности и содержат 0,2% всего  количества воды. В настоящий момент исследовано менее 15% всей площади  шельфов и изучено менее 10% течений  циркулирующих прибрежных вод. Однако, не смотря на это, такие районы активно  используются для сброса отходов, в  том числе и содержащих нефтепродукты.

1. Химический состав нефти

Нефть представляет собой вязкую маслянистую  жидкость, имеющую темнокоричневый  цвет и обладающую слабой флуорисценцией. Нефть состоит преимущественно  из насыщенных алифатических и гидроароматических углеводородов. Основные компоненты нефти  углеводороды (до 98%) подразделяются на 4 класса:

1. Парафины (алкены). до 90% от общего состава) устойчивые вещества, молекулы которых выражены прямой и разветвленной цепью атомов углерода. Легкие парафины обладают максимальной летучестью и растворимостью в воде.
2. Циклопарафины. ( 30 60% от общего состава) насыщенные циклические соединения с 56 атомами углерода в кольце. Кроме циклопентана и циклогексана в нефти встречаются бициклические и полициклические соединения этой группы. Эти соединения очень устойчивы и плохо поддаются биоразложению.
3. Ароматические углеводороды. (20 40% от общего состава)  ненасыщенные циклические соединения ряда бензола, со держащие в кольце на 6 атомов углерода меньше, чем циклопара фины. В нефти присутствуют летучие соединения с молекулой в виде одинарного кольца ( бензол, толуол, ксилол), затем бициклические (нафталин), полуциклические (пирен).
4. Олефины (алкены). (до 10% от общего состава) ненасыщенные нециклические соединения с одним или двумя атомами водорода у каждого атома углерода в молекуле, имеющей прямую или разветвленную цепь.

Сырая нефть содержит около 25% парафинов, которые обнаруживаются во фракциях с низкой температурой кипения от 40 до 230 °С. Содержание парафинов  в различных нефтепродуктах колеблется в широких пределах. Некоторые  состоят главным образом из парафинов  нормального строения, в то время  как другие содержат лишь следы этих соединений.

Циклопарафины, которые также  называются нафтенами, составляют 30-60% общего состава сырой нефти. Большинство  из них являются моноциклическими, однако, во фракциях, кипящих при  высоких температурах, обнаружены соединения с шестью и более кольцами. Наиболее часто можно обнаружить циклопентан  и циклогексан.Ароматические углеводороды сильно отличаются от циклопарафинов и эти различия обуславливаются  характером связей. Бензол и его  производные – простейшие ароматические  углеводороды, они преобладают в  легкокипящих фракциях. В высококипящих  же фракциях содержатся полициклические  ароматические углеводороды.

Ароматические углеводороды наименее распространены в нефти. Чаще всего в состав входят углеводороды сложной структуры, включающие остатки  парафиновых, циклопарафиновых и ароматических  углеводородов. Остаточные фракции  содержат углеводороды, кипящие при  высоких температурах. Несмотря на то, что их состав неизвестен, можно  утверждать, что они содержат кислород, серу, азот и примеси металлов, а  их молекулярная структура состоит  из слоёв гетероциклических колец.

2. Источники загрязнения нефтью

В последнее время одними из самых опасных источников загрязнения  нефтью считались крушения танкеров и выбросы на буровых скважинах  в открытом море. Однако, на самом  деле доля подобных выбросов в результате несчастных случаев, которые привлекают столько внимания общественности, ничтожно мала по сравнению с общим загрязнением углеводородами.

Обычные транспортные перевозки. В настоящее время в год транспортируется более 1 миллиарда тонн нефти. Однако, часть нефти (до 0,5%) выбрасывается в океан более или менее легально: в результате сброса промывочных и балластных вод в океан.

После разгрузки пустой танкер заполняется морской водой для  стабилизации балласта на обратном пути. Морская вода образует эмульсию с  оставшейся частью нефти в танкере. Содержащий нефтепродукты балласт  сливается с танкера недалеко от порта назначения. Аналогично освобождаются  от балласта и другие типы судов.

Такая вода, загрязнённая нефтью, сбрасывается в специальных зонах  открытого моря, которые оговорены  международными соглашениями. Но часто  эти операции совершаются недалеко от побережья в нарушение всех соглашений.

Около половины потерей при  транспортировке следует отнести  к очистке танкеров и сбросу балласта. Следует заметить, что 80% танкерного флота пользуются системой контрольных  мероприятий LOT для уменьшения количества нефти, попадающей в океан в результате сброса балласта. При этом на оставшиеся 20% танкеров приходится 70% всего загрязнения  моря.

Упомянутая система LOT отличается тем, что в качестве балласта в  ней используется и вода, и нефть  одновременно. Нефтепродукты, как менее  плотные, располагаются в верхней  части танкера, а более чистая морская находится снизу –  и именно она сливается.

Аварии при  транспортировке и добычи нефти. Попадание нефти в море в результате столкновения танкеров или посадки на мель не столь часты. Но всё-таки количество ежегодно теряемой нефти с каждым годов возрастает. Однако, нельзя и преуменьшать и серьёзность подобных происшествий: потери малы про сравнению с общими потерями при транспортировании, но они происходят на одних и тех же судоходных линиях или в относительно мелких прибрежный районах. Таким образом, нефтяные сливы концентрируются на небольшой морской поверхности.

Влияние несчастных случаев  на окружающую среду возрастает с  увеличением тоннажа судна. Поэтому  польза от применения так называемых супер-танкеров является спорной. Суда водоизмещением 500 тысяч тонн уже  спущены на воду, а судна на 800 тысяч тонн уже проектируются  для использования.

Аварии на нефтяных разработках  в открытом море также могут привести к серьёзным загрязнениям. В момент бурения, введения труб, при установке  вершины вышки, а также во время  эксплуатации скважин существует определённый риск загрязнения.

Природные источники  нефти. Некоторая часть загрязнений всё же приходится на природные источники нефти. Прямых измерений количества нефти, попадающей в океан из природных источников, нет. Однако, эти цифры несравнимо малы по сравнению с влиянием антропогенных загрязнений. Если бы нефть продолжительное время просачивалась в океан, то все залежи давно бы исчезли. Кроме того, любой выход нефти должен сопровождаться появлением характерных блестящих пятен, но такие пятна не наблюдались.

Небольшая доля утечки нефти  приходится на суда, затонувшие ещё  во времена Второй Мировой Войны, корпуса которых подверглись  коррозии и протекают. Большая часть  углеводородов поступает в атмосферу  в результате испарения или неполного  сгорания топлива, после чего вступает в реакции и превращается в  другие вещества. Однако оставшаяся часть  существует в виде жидких капель и  адсорбируется на мелких атмосферных  частичках. Жидкие и твёрдые частицы неизбежно оседают на поверхности океана, внося значительный вклад в общее загрязнение.

3. Последствия нефтяного загрязнения

В нефти, кроме основных главных  углеводородных соединений (парафины, нафтены, ароматические соединения, олефины), почти всегда присутствуют соединения серы, азота и кислорода.

Токсичность нефти зависит  от содержаний в ней ароматических  углеводородов, которые способны сохраняться  в морской воде и донных отложениях в силу своей стойкости. Алканы обладают не меньшей токсичностью, но имеют  большую склонность к деградации. Кроме того, в присутствии нефтяных углеводородов, токсичность других загрязняющих веществ (металлов и хлорированных  углеводородов) проявляется в большей  степени. Наличие нефти в донных отложениях способствует интенсивному накоплению в них хлорированных  углеводородов и металлов. С другой стороны, её наличие замедляет переход  других загрязняющих веществ из донных отложений в воду.

Установлено, что при дноуглубительных работах часть углеводородов  переходит из донных отложений в  водную толщу в виде частиц эмульсии или в растворённой форме. Их дальнейшая судьба во многом зависит от начального состоянии при попадании в  воду. Нефтепродукты могут: ассимилироваться морскими организмами, повторно седиментировать, образовывать нефтяные агрегаты, окисляться, растворяться и испаряться.

Ещё одна особенность нефтяных загрязнений – способность захватывать  и концентрировать тяжелые металлы, пестициды. Когда нефть разливается  на большой площади, то велика вероятность  протекания различных реакций, так  как растворённые в нефти вещества получают возможность участвовать  в различных химических процессах.

В случае образования плёнки, концентрирование происходит на поверхности  и возможно в самой плёнке. Концентрирование металлов изменяет их токсичность и усложняет молекулярный перенос в плёнке вследствие реакций между металлом и органическими соединениями. Эти процессы, протекающие в нефтяной плёнке, могут также вызвать концентрирование в замкнутой биологический цепи питания с участием низших организмов. Таким образом, введение загрязнений в биологическую среду питания ускорится.

Способность нефти растекаться  по поверхности воды проявляется  только в начальный период её нахождения на воде и на распространение по водоёму существенно не влияет.

Скорость растекания нефтепродуктов лёгкой фракции (бензин, керосин) ниже, нежели у тяжёлой фракции (мазут, масло), так как поверхностное  натяжение у границы с водой  у первых выше. По той же причине, при одинаковых количествах, продукты лёгкой фракции растекаются на меньшей  площади.

Зона загрязнения распространяется на несколько километров от места  попадания нефти в воду. С момента  утечки и до момента начала работ  по локализации и ликвидации нефтяного  загрязнения её распространение  по водоёму уже обычно завершается, т.е. зона загрязнение приобретает  почти максимальные размеры и  определённую форму. Распространение  пролитой нефти в условиях водоёма  происходит под влиянием течения, ветра, колебаний уровня воды и имеет  свои особенности. Для реки, ввиду  близости берегов, нефть быстро достигает  их. Наличие заводей, мелководных  участков, покрытых растительностью, создаёт  благоприятные условия для скопления  нефти. На открытых участках, где есть ветер и течение, нефть долго  не задерживается – её сносит в  спокойные зоны. Обычно, в этих же местах скапливается и мусор, с которым  она перемешивается.

При интенсивном поступлении  нефти из повреждённого судна  образуется нефтяное пятно в виде широкой полосы, у которой толщина  в середине больше, чем по краям. При постепенном же поступлении  – пятно имеет вид узкой  полосы. От места утечки нефть перемещается по равнодействующей силы ветра и течения до достижения берега. А, достигнув его, переформируется. В одних случаях, нефть ветром прижимается к берегу или какой-либо преграде и располагается в виде клина – у основания толщина больше. Если действие ветра незначительно, то и толщина слоя примерно одинаковая. Нефть, оставшаяся на берегу из-за понижения уровня воды, также располагается в виде клина или равномерным слоем.