Воздействие нефти на гидросферу земли

1.2.3. Вынос рек, промышленные и бытовые стоки

Из ранее приведенной Таблице № 1 видно, что реки и городские стоки,

например, дают почти такой же вклад в загрязнения, как и транспортирование.

Значительная доля нефтяных углеводородов осаждается в районах больших

городов, попадая сюда из разных источников. К ним относятся системы

отопления, работающие на нефти, операции обслуживания автомобилей, свалки

израсходованных смазочных материалов, смазочные материалы, охлаждающие

эмульсии и т. д. Дожди неизбежно вымывают эти остатки вначале в дренажные

сооружения, а затем в воду. Все это приводит к загрязнению источников воды

и водоносных слоев.

Поскольку бензин проникает в почву в семь раз быстрее, чем вода, и

придает неприятный вкус питьевой воде даже при таких низких концентрациях,

как 1 млн-1, подобное загрязнение способно сделать неприемлемой для питья

довольно значительное количество подземных вод. Кроме того, следует

отметить, что воды всех рек в промышленно развитых странах содержат

углеводороды. Так, Рейн в своем нижнем течении переносит около 12000 т

нефтепродуктов в день.

Как правило, половина нефти, загрязняющей природные водоемы, - это

отработанное масло автомобильных и промышленных двигателей, попадающее в

водоемы с промышленными сточными водами и дождевыми потоками. Любой, кто

осмелится слить масло или горючее в природный водоем в пределах США,

подвергается крупному штрафу, однако до сих пор в США мало общедоступных

мест для сбора таких отходов, как отработанное масло из автомобильных

двигателей. Вот почему отработанное масло чаще всего обнаруживается на

земле у автостоянок и гаражей. Отсюда нефть и техническое масло попадают в

близлежащие природные водоемы.

Огромное количество нефти выносят в океан реки из нефтедобывающих

районов и промышленных центров. Особенно сильно загрязнены устья рек.

Например, на дне Обской губы (Обь протекает через главные месторождения

Западной Сибири) осевшая нефть составляет местами 10% донных осадков (ила и

песка). Примерно 40 % попавшей в водоем нефти оседает на дно в виде донных

отложений, причем осевшие на дно нефтепродукты окисляются в 10 раз

медленнее, чем находящиеся на поверхности воды.

Нефть и нефтепродукты относятся к числу трудноокисляемых

микроорганизмами веществ, поэтому самоочищение водоемов, загрязненных

нефтью, происходит на очень больших расстояниях по длине реки; иногда на

протяжении 500-900 километров от места загрязнения можно обнаружить следы

углеводородов.

1.2.4. Природные источники нефти

Некоторая часть загрязнений приходится в настоящее время так же, как и

в прошлом, на природные источники нефти. Прямых измерений количества нефти,

попадающего в океан из природных выходов, нет, однако сделаны расчеты,

доказывающие, что эти загрязнения должны быть малы по сравнению с

загрязнениями в результате человеческой деятельности. Если бы нефть

продолжительное время просачивалась в океан, все залежи нефти должны были

бы исчезнуть много лет назад. Кроме того, в результате расследования аварий

на буровых, расположенных в открытом море, известно, что любой природный

выход нефти значительных размеров должен сопровождаться появлением заметных

нефтяных блестящих пятен, но такие пятна не наблюдались.

Небольшая доля нефтяных загрязнений приходится на утечку

нефтепродуктов с кораблей и танкеров, затонувших во время второй мировой

войны, в результате коррозии корпусов кораблей. Общее количество нефти из

этого источника оценивается приблизительно в 4 млн. тонн.

Количество нефтяных углеводородов, попадающих непосредственно в океан,

мало по сравнению с тем количеством, которое выбрасывается в атмосферу в

результате испарения и неполного сгорания топлива. Большая часть этих

атмосферных углеводородов вступает в фотохимические реакции и превращается

в другие вещества. Однако оставшаяся часть существует в виде жидких капель

или адсорбируется на маленьких атмосферных частицах. Жидкие и твердые

частицы неизбежно выпадают из атмосферы и оседают на поверхности океана,

внося значительный вклад в общее загрязнение углеводородами.

Раздел II. Поведение нефти в водной среде

Как выяснено ранее сырая нефть и ее производные, из которых получают

нефтепродукты, - сложная, смесь многих химических соединений – отличаются

по составу, но содержат в разных соотношениях четыре главных класса

углеводородов: парафины (алканы), нафтены, ароматические соединения,

олефины. Кроме углеводородов в нефти почти всегда присутствуют соединения,

содержащие серу, кислород и азот.

Токсичность нефтяных углеводородов в основном зависит от содержания в

них ароматических фракций, которые способны сохраняться в морской воде и в

донных отложениях длительный период в силу своей стойкости к деградации.

Алканы обладают не меньшей токсичностью, но деградация их происходит

сравнительно быстрее. Кроме того, в присутствии нефтяных углеводородов

токсичность других загрязняющих веществ, в частности металлов и

хлорированных углеводородов, проявляется в большей степени. Наличие

нефтяных углеводородов и масел в донных отложениях способствует

интенсивному накоплению в них хлорированных углеводородов и металлов. С

другой стороны, процесс перехода других загрязняющих веществ из донных

отложений в воду в присутствии нефти замедляется.

В лабораторных и натурных условиях установлено, что при

дноуглубительных работах часть нефтяных углеводородов переходит из донных

отложений в водную толщу в основном в виде частиц эмульсии или в

растворенной форме. Их дальнейшая судьба во многом зависит от начального

состояния при поступлении в воду. В воде нефтепродукты могут подвергаться

одному из следующих процессов: ассимиляции морскими организмами, повторной

седиментации, эмульгированию, образованию нефтяных агрегатов, окислению,

растворению и испарению.

Еще одной особенностью нефтяных загрязнений является способность

захватывать и концентрировать другие загрязнения, например, тяжелые металлы

и пестициды. Когда нефть распределится на большой площади, то сильно

возрастет вероятность протекания различных реакций, так как вещества,

растворимые в нефти, получают возможность участвовать в разнообразных

химических процессах

В случае образования пленки концентрированние происходит на

поверхности и возможно в самой пленке. Концентрированно металлов изменяет

их токсичность и усложняет молекулярный перенос в пленке вследствие реакций

между металлами и органическими соединениями. Эти процессы, протекающие в

нефтяной пленке, могут также вызвать концентрированние в замкнутой

биологической цепи питания с участием низших организмов. Таким образом,

введение загрязнений в питательную среду моря ускорится.

2.1. Характер растекания нефти по поверхности водоемов

Способность нефти растекаться по поверхности воды проявляется только в

начальный период ее нахождения на воде и на распространение по водоему

существенно не влияет.

Скорость растекания нефтепродуктов из легких фракции (бензина,

керосина) ниже, чем нефтепродуктов, содержащих тяжелые фракции (мазут,

масло), так как поверхностное натяжение на границе с водой первых выше, чем

у содержащих тяжелые фракции. По той же причине нефтепродукты из легких

фракций при том же их количестве растекаются по поверхности воды на меньшей

площади.

Зона загрязнения распространяется на расстояние в несколько километров

от места попадания нефтепродуктов в водную среду. С момента утечки нефти до

начала работ по локализации и ликвидации нефтяного загрязнения

распространение ее по водоему обычно уже завершается, т. е. зона

загрязнения приобретает почти максимальные размеры и определенную форму.

Распространение пролитой нефти в условиях водоема происходит в основном под

воздействием течения, ветра и колебаний уровня воды и имеет свои

особенности. Для реки, ввиду близости берегов и извилистости русла нефть

сравнительно быстро достигает берега. Наличие заводей, мелководных

участков, покрытых растительностью, создает благоприятные условия для

скопления нефти. На открытых участках водоемов, где действие течения и

ветра проявляется в полную силу, она не задерживается, ее неизбежно относит

в застойные зоны, где нет течения, а действие ветра направленно в сторону

берега или какой-либо преграды. Здесь нефть под действием ветра

концентрируется. В этих же местах скапливается и мусор, с которым она

обычно перемешивается.

При интенсивном поступлении нефти из поврежденного судна образуется

нефтяное пятно в виде широкой полосы, толщина то в средней части больше,

чем по краям; при постепенном поступлении нефти из судна нефтяное пятно

имеет вид узкой полосы. От места утечки нефть перемещается по поверхности

воды в направлении равнодействующей сил ветра и течения, но, достигнув

берега, перемещается, как бы перетекая вдоль береговой линии, размазываясь

по заплескам. Встречающиеся на пути заводи, пойменные озера, старицы

практически приостанавливают ее дальнейшее распространение до тех пор, пока

их поверхность не покроется слоем нефти или не изменится направление ветра.

Когда нефтяное пятно достигает берега, происходит его переформирование. В

одних случаях нефть ветром прижимается к берегу или какой-либо преграде и

располагается в виде клина - у преграды слои нефти имеет наибольшую

толщину, а с наветренной стороны наименьшую; в других случаях, когда

действие ветра незначительно, толщина слоя относительно равномерна. Нефть,

остающаяся на берегу из-за понижения уровня воды в водоеме, также

располагается или в виде клина или равномерным слоем, в зависимости от

того, как это было до падения уровня.

При изменении направления ветра или уровня воды, нефть из одних

застойных зон может быть отнесена в другие, загрязняя новые участки

водоема. Как правило, она располагается вдоль одного берега, заполняя все

заводи. Зона загрязнения не всегда бывает непрерывной, нередко загрязненные

участки чередуются с чистыми.

Для участков водоемов с быстрым течением характерна большая

протяженность зоны загрязнения. Известны случаи; когда она достигала 50-130

км. При слабом течении или его отсутствии, например, в водохранилище,

перемещение нефти обусловлено действием ветра, причем скорость ее

составляет 3-4% скорости ветра. Протяженность зоны загрязнения при этом

меньше, чем на течении.

Плавучая нефтяная пленка может захватывать громадные пространства.

Установлено, что одна капля нефти образует на поверхности водоема пятно

площадью примерно 0,25 м2, а одна тонна нефти покрывает площадь около 500

га поверхности водоема. Собрать или уничтожить нефть, разлитую по

поверхности воды, весьма трудно, и инженерная мысль пока безуспешно ищет

радикальные средства борьбы с этим бедствием.

Все виды нефти содержат легкокипящие компоненты, которые быстро

испаряются. В течение нескольких дней 25% нефтяного пятна исчезают в

результате испарения. Низкомолекулярные компоненты выводятся из нефтяного

пятна главным образом в результате растворения, причем ароматические

углеводороды растворяются быстрее, чем н-парафины при одинаковой

температуре.

2.2. Разложение нефти под воздействием бактерий и окисления

Биохимическое (микробиологическое) воздействие бактерий, грибков и

других микроорганизмов на компоненты нефти гораздо шире и охватывает самые

разнообразные вещества по сравнению с процессами испарения и растворения.

Однако не существует какого-либо одного микроорганизма, способного

разрушить все компоненты определенного вида сырой нефти. Бактериальное

воздействие характеризуется высокой селективностью, и полное разложение

всех компонентов нефти требует воздействия многочисленных бактерий

различных видов. При этом образуется ряд промежуточных продуктов, для

разрушения которых требуются свои организмы. Парафиновые углеводороды

наиболее легко разлагаются бактериями. Следовательно, более стойкие

циклопарафиновые и ароматические углеводороды исчезают из океанской среды с

гораздо меньшей скоростью.

Нефтяные углеводороды подвержены также процессам химического окисления

и фотоокисления, но в водной среде эти процессы исследованы не достаточно.

Содержание питательных веществ и кислорода в воде является ключевыми

факторами в процессах микробиологического разложения. Подсчитано, что для

полного окисления 4 литров сырой нефти требуется кислород, содержащийся в

1,5х106 литров морской воды, насыщенной воздухом при 60.°С; это

эквивалентно количеству морской воды, содержащейся в слое глубиной 30 см и

поверхностью 0,5х104 м2.[1]

Пленка нефти препятствует так называемой аэрации, т.е. процессу

поглощения водой кислорода из атмосферы. Окисление может замедлиться в

воде, обедненной кислородом, в результате более раннего загрязнения. В

таких условиях бактериальное разложение может иметь отрицательные

последствия, так как уменьшает количество растворенного кислорода.

Содержание кислорода в поверхностных слоях воды постоянно пополняется за

счет контакта с атмосферой. Однако на глубине более 10 м это пополнение

происходит очень медленно.

При постоянном расходе кислорода в водоеме, прекращение аэрации может

оказаться гибельным для живого мира водоема. Нефть и нефтепродукты

относятся к числу трудноокисляемых микроорганизмами веществ, поэтому

самоочищение водоемов, загрязненных нефтью, происходит достаточно долго.

2.3. Влияние физических параметров окружающей среды

на скорость разложения нефти в воде

Скорость разложения является функцией физических параметров окружающей

среды. Как и следовало ожидать, к таким параметрам в первую очередь

относится температура воды, которая служит определяющим фактором в кинетике

распада органических веществ. В общих случаях скорость химической реакции с

повышением температуры на 10°С увеличивается в два-четыре раза. Понижение

температуры среды существенно тормозит не только физико-химические, но и

биохимические процессы, связанные с деструкцией и трансформацией

углеводородов. Интенсивность разрушения углеводородов зависит также от

изменения солености и кислотности среды, особенно в тех районах, которые

наиболее подвержены влиянию речного стока.

Отмечают, что распад нефти и нефтепродуктов в менее соленых водах

протекает более активно. С увеличением активной реакции среды скорость

разрушения нефтепродуктов возрастает. Так как диапазон изменений рН в море

колеблется в пределах 2 единиц, то эффект изменения периода полураспада

нефти в море в зависимости от изменения рН в 25 раз меньше, чем от

колебаний температуры, и в три раза меньше, чем от колебаний солености.

2.4. Влияние донных отложений на распад углеводородов

В процессе самоочищения морской среды от углеводородов значительная

роль принадлежит донным отложениям, которые, адсорбируя углеводороды, с

одной стороны, ведут к уменьшению их содержания в воде, а с другой - могут

служить при определенных условиях источником повторного загрязнения воды.

При этом наносы и взвешенные частицы, действуя как «ловушки», играют

значительную роль в миграции нефтяных загрязнений.

Углеводороды в результате адсорбции на взвешенных частицах осаждаются

на дно, причем не всегда они остаются на поверхности донных отложений.

Сложные физические, химические и биологические процессы, происходящие на

поверхности раздела вода - донные отложения или вблизи него, могут изменять

физическое и химическое состояние углеводородов. Кроме того, связанные со

взвешенными частицами, углеводороды под воздействием гидрометеорологических

факторов могут вновь перейти в толщу воды и возвратиться в повторный цикл с

последовательными стадиями: высвобождение – окисление - осаждение.

В относительно глубоководных районах при наличии придонных течений

повышенная концентрация нефти в донных отложениях обусловливается также

повторным суспендированием взвешенных частиц, содержащих углеводород. В

прибрежных и мелководных районах повторное суспендирование частиц и их

осаждение на дно имеет даже более важное значение.

Как показали исследования, загрязненность донных отложений

углеводородами зависит также от ряда других природных факторов, в том числе

от сорбционной способности, в свою очередь обусловленной составом

(механическим, химико-минералогическим) и физическими свойствами донных

отложении.

Судя по проводившимся наблюдениям, в различных районах Каспийского

(западные побережья Среднего и Южного Каспия), Балтийского (Рижский залив)

и Белого морей (Онежский и Двинский залив) высокие концентрации НУ

соответствовали зонам наибольшей седиментации, а низкие, наоборот, зонам с

активным гидродинамическим режимом [5]. С другой стороны, прослеживается

возрастная приуроченность нефтяных загрязнений к современным осадкам,

представленным в исследованных районах различными песками - от

гравелистого до пылеватого, супесчаными и глинистыми илами и раковинным

детритом.

Как и следовало ожидать, наиболее загрязненными нефтью оказались

донные отложения исследованных районов Каспийского моря, а наименее -

Балтийского и Белого морей, что, несомненно, связано с неравномерным

объемом поступления углеводородов в эти моря.

В указанных районах по мере удаления от берега содержание нефти в

донных отложениях снижается, как правило, но не без исключения. На общем

фоне снижения загрязненности донных отложений выделяются отдельные участки

с более высоким содержанием. К ним относятся депрессионные участки рельефа

дна: места скопления загрязненных веществ и районы свалки грунта. В первом

случае это связано с общим направлением сноса осадков в пониженные участки

рельефа дна, во втором - с непосредственным сбросом грунтов, содержащих

нефтяные углеводороды.

Незначительная плотность современных отложений и гидродинамическая

активность способствуют загрязнению донных отложений по глубине. При этом в

присутствии нефти повышается связанность неуплотненных песков и илов,

уменьшается дисперсность и пористость, из-за чего часть донных отложений

преобразуется в прослой с высоким содержанием нефтяных углеводородов.

Как показали натурные исследования, способность донных отложений к

адсорбции нефти внутри каждого из гранулометрических типов, в свою очередь,

обусловлена также их дисперсностью плотностью и связанностью частиц. Так,

судя по полученным данным (Таблица №2), прослеживается заметная связь между

гранулометрическим составом донных отложений и содержанием углеводородов

сорбированных на них.

Содержание нефти в донных отложениях уменьшается от глинистых илов к

суглинистым и супесчаным и от пылеватых песков к крупным. При этом

увеличение содержания углеводородов в донных отложениях сочетается с

уменьшением их относительной плотности и увеличением дисперсности, несмотря

на общую для исследованных осадков значительную пористость и рыхлость.

Причиной повышенных концентраций в мелкодисперсных донных отложениях,

несомненно, является то, что они обладают большой сорбционной поверхностью,

а, следовательно, и способностью к удерживанию сорбированных веществ.

Однако в случае нарушенной структуры донных отложении, либо иного

воздействия, на условия залегания величины сорбции каждого из

гранулометрических типов могут значительно изменяться под влиянием

гидрометеорологических факторов (волнение, течение), дноуглубительных и

гидротехнических работ, что многократно наблюдалось в естественных

условиях.

Таблица № 2 Содержание углеводородов в различных типах донных

отложений

|Тип донных отложений|Кол-во |Среднее содержание |Предел колебаний |

| |определений |углеводородов, мг/г |углеводородов, |

| | |сухого грунта |мг/г сухого грунта|

|Ил глинистый |7 |6,6 |1,0-17,1 |

|Ил суглинистый |4 |1,5 |0,5-2,0 |

|Ил супесчаный |17 |0,9 |0,3-2,2 |

|Песок крупный |2 |0,2 |0,1-0,2 |

|Песок средний |2 |0,7 |0,1-0,7 |

|Песок мелкий |1 |2,2 |- |

|Песок пылеватый |2 |6,4 |3,8-8,9 |

2.5. Образование нефтяных комочков в воде

Смешиваясь с водой, нефть образует эмульсии двух типов: прямые «нефть

в воде» и обратные «вода в нефти». Прямые эмульсии, составленные капельками

нефти диаметром до 0,5 мкм, менее устойчивы и особенно характерны для

нефтей, содержащих поверхностно-активные вещества. После удаления летучих и

растворимых фракций остаточная нефть чаще образует вязкие обратные

эмульсии, которые стабилизируются высокомолекулярными соединениями типа

смол и асфальтенов и содержат 50-80 % воды («шоколадный мусс»). Под

влиянием абиотических процессов вязкость «мусса» повышается и начинается

его слипание в агрегаты – нефтяные комочки размерами от 1 мм до 10 см.

Агрегаты представляют собой смесь высокомолекулярных углеводородов, смол и

асфальтенов. Потери нефти на формирование агрегатов составляют 5-10 %.

Высоковязкие структурированные образования – «шоколадный мусс» и нефтяные

комочки – могут длительное время сохраняться на поверхности воды,

переносится течениями, выбрасываться на берег и оседать на дно. Нефтяные

Страницы: 1, 2, 3