Обоснование технологических схем восстановления качества грунтовых вод для охраны земель от техногенных загрязнений

Актуальность работы. Проблема охраны и восстановления качества окружающей среды в настоящий момент времени является одной из важнейших решаемых в круге задач направленных на достижение целей устойчивого развития общества.

В связи с бурным развитием нефтяной, химической промышленности и интенсификации сельскохозяйственного производства происходит загрязнение земель в результате аварийных или неконтролируемых утечек при производстве, транспортировке, применении, хранении и утилизации веществ, оказывающих отрицательное воздействие на окружающую среду. Среди прочих загрязняющих земли веществ можно выделить органическую группу, которая представлена нефтью, нефтепродуктами (углеводородами), сельскохозяйственными ядохимикатами (пестициды, гербициды и др.), продуктами химических производств.

По данным докладов Минприроды РФ и Краснодарского краевого комитета по охране окружающей природной среды проблема загрязнения земель, нефтепродуктами и пестицидами по России в целом и в Краснодарском крае в частности стоят в ряду 10 наиболее опасных проблем загрязнения окружающей среды. Выявлен ряд объектов, вызывающих наибольшую опасность.

Например, загрязнение земель и фунтовых вод на месте бывшей дислокации военной авиационной базы около г. Энгельса Волгоградской области. Здесь площадь загрязнения земель керосином по приблизительным подсчетам составила 140 га, в которой находится около 6000 тонн горючего. Отрицательное воздействие разлитого горючего только на сегодняшний день повлекло полную гибель садов на площади 50 га и мутационным явлениям у растительности на остальной территории разлива.

В Краснодарском крае, зафиксирован аналогичный случай на месте бывшего расположения военной авиабазы на Ейской косе вблизи Азовского моря. Привлекает особое внимание проблемы трубопроводного транспорта нефти и газа, связанный со строительством и интенсивной эксплуатацией трубопроводов как по территории Краснодарского края, так и по всей России, как потенциальный источник загрязнения земельных и водных ресурсов.

При проникновении загрязняющих веществ в гидролитосферу остается актуальным вопрос определения формы, размеров и положения зоны загрязнения почвенного профиля и грунтовых вод загрязняющим веществом. Процесс распознавания размеров и положения зон загрязнения должен предшествовать проектированию мероприятий по ликвидации загрязняющих веществ. В ходе распознавания размеров и положения зоны загрязнения делается вывод о целесообразности проведения мероприятий по ликвидации загрязняющих веществ. По данным Лукьянкова, 1998 в России в данном вопросе наблюдается отставание от уровня зарубежных стран [58].

При проникновении техногенного загрязнения в почво-грунт и далее в грунтовые воды часть загрязняющего вещества сорбируется почвогрунтом, а часть собирается на зеркале грунтовых вод. В связи с тем, что грунтовые воды подвергаются сезонным калебаниям, то в период поднятия их уровня происходит повторное загрязнения верхних горизонтов почво-грунта.

Современные технологии ликвидации загрязнений грунтовых вод сводятся в основном к локализации, извлечению и утилизации растворенной (жидкой) фазы загрязняющих веществ. Проблема же ликвидации остаточных загрязнений почв, объем которых в отдельных случаях может достигать до 40% от общего количества загрязняющего земли вещества, решается путем проведения биологической рекультивации. Однако основным недостатком таких технологий является проведение восстановительной рекультивации на специальных полигонах с предварительной экскавацией загрязненной почвы, либо восстанвление загрязненных земель на месте разлива нефтепродуктов, но лишь в поверхностном слое. Вопросы восстановления загрязненных грунтовых вод на глубинах более 1 м, с целью охраны земель остается не достаточно рассмотренными.

Таким образом, создание технологий восстановления загрязненных грунтовых вод с целью охраны земель от техногенных загрязнений представляется актуальной.

Целью настоящей работы является обоснование и разработка технологических схем восстановления качества фунтовых вод для проектирования рекультива-ционных и земельно-охранных систем.

Объектами исследований являются природно-техногенные комплексы, включающие динамику биологического и геохимического балансов, процессы взаимодействия природных и техногенных составляющих — земли подверженные техногенному зафязнению во взаимосвязи с изменением качества фунтовых вод под действием биологической деструкции зафязнений.

Областью исследований является: исследование технологий очистки земель, зафязненных нефтепродуктами и другими зафязняющими веществами, а также разработка методов расчета элементов земельно-охранных систем.

Задачами исследований в соответствии с поставленной целью являются:

— исследование зон загрязнения земель и грунтовых вод с целью определения их положения и размеров в плане на основе анализа выходных кривых концентраций загрязняющего вещества в технологической скважине при откачке загрязненных грунтовых вод;

— имитационно-тенологическое моделирование восстановления качества загрязненных грунтовых вод на основе биологической деструкции загрязняющего вещества с целью охраны земель;

— обоснование и разработка технологических схем восстановления качества загрязненных нефтепродуктами грунтовых вод в натурных условиях для охраны земель.

Методы, использованные в процессе исследований. Для решения поставленных задач использован комплексный метод, включающий:

1. Анализ результатов натурного применения систем восстановления качества загрязненных земель и грунтовых вод.

2. Системный анализ природно-техногенной системы восстановления качества загрязненных грунтовых вод, использование методологии имитационного моделирования ПТС, применение аппарата математического моделирования и компьютерного программирования.

3. Критический анализ моделирования.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Анализ выходных кривых концентраций загрязняющего вещества в технологической скважине при откачке загрязненных грунтовых вод для распознавания зон загрязнения земель и грунтовых вод, для проектирования технологических схем по восстановлению качества грунтовых вод.

2. Имитационно-технологическая модель восстановления качества грунтовых вод посредством деструкции загрязняющего вещества в натурных условиях для охраны земель подверженных техногенным загрязнениям.

3. Технологические схемы восстановления качества загрязненных грунтовых вод в натурных условиях для охраны земель подверженных техногенным загрязнениям.

Результатами исследований являются:

— Способ определения положения зон загрязнения земель и грунтовых вод на основе анализа выходных кривых концентраций загрязняющего вещества в технологической скважине при откачке загрязненных грунтовых вод;

— Имитационно-технологическая модель восстановления качества грунтовых вод посредством биологической деструкции загрязняющего вещества;

— Методы проектирования технологических схем восстановления качества загрязненных нефтепродуктами грунтовых вод для охраны земель от техногенных загрязнений.

Достоверность научных положений и выводов обосновывается:

— доказательством научных положений теоретическими выкладками, аналитическими расчетами и сопоставительным анализом конкретных примеров;

— достаточно высоким сходством результатов теоретических исследований с результатами теоретических исследований других авторов и натурных примеров.

Научная новизна и значение работы заключается в формировании научно обоснованных подходов, направленных на сохранение и восстановление экологического потенциала земель подверженных техногенным загрязнениям на основе разработки технологических схем восстановления качества грунтовых вод. Практическое значение работы заключается в следующем:

1. Разработан способ определения положения зон загрязнения земель и грунтовых вод на основе анализа выходных кривых концентраций загрязняющего вещества в технологической скважине при откачке загрязненных грунтовых вод;

2. Разработан комплекс компьютерного программного обеспечения, позволяющий автоматизировать рассмотрение процессов участвующих в биовосстановлении качества грунтовых вод;

3. Разработано компьютерная программа, позволяющая автоматизировать процесс проектирования технологических схем восстановления качества загрязненных грунтовых вод для охраны земель от техногенных нефтяных загрязнений.

Реализация работы. Результаты работы в части математического моделирования процессов распространения фронтов поршневого вытеснения с учетом микродисперсии применены для построения карты линий тока и движения загрязненных вод в зоне гидравлического питания Троицкого группового водозабора подземных вод. Также результаты работы применены при проектировании мероприятий по недопущению загрязнения подземных вод водами Троицкого йодного завода.

Разработан проект ликвидационно-монитороинговой системы по контролю за состоянием земель и грунтовых вод и восстановлению их качества в случае аварийных утечек нефти путем биологической деструкции в районе прохождения строящегося нефтепровода «Суходольная — Родионовская» Мало-Каменского месторождения 9 подземных вод. Проект включен в рабочий проект строительства нефтепровода и согласован с Департаментом Госсанэпиднадзора Министерства здравоохранения РФ.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались на научных конференциях Кубанского госафоуниверситета (КубГАУ) в 1996, 1997, 1998 и 1999 годахна второй школе-семинаре молодых ученых Кубани (г. Краснодар) в 1997 г. В полном объеме работа обсуждалась на расширенном заседании кафедры гидравлики и сельскохозяйственного водоснабжения КубГАУ в 1999 г.

По результатам исследований была заявлена работа на Конкурс на лучшую научно-техническую разработку среди молодежи по проблемам топливно-энергетического комплекса «ТЭК-2000». По итогам Конкурса работа нафаждена третьей премией, отмечена благодарностью минисфа энергетики РФ.

Публикации. По результатам работы опубликовано 7 научных работ.

Объем работы. Диссертационная работа изложена на 161 сфанице машинописного текста, включая введение, пять глав, выводы, 54 рисунков, 10 таблиц, список литературы из 122 наименований, из них 5 зарубежных авторов, 5 приложений.

Работа выполнена в период обучения автора в очной аспирантуре на кафедре гидравлики и сельскохозяйственного водоснабжения Кубанского государственного афарного университета 1995 — 1998 гг.

ВЫВОДЫ.

1. Анализ отечественного и зарубежного опыта в области охраны земель и вод от техногенных загрязнений показал, что восстановление плодородия почв и качества грунтовых вод успешно решается путем проведения биомелиораций, исполь-зуюших биоразрушающий потенциал микроорганизмов как инструмент ликвидации техногенных загрязнений. Однако существующие технологии позволяют восстанавливать плодородие верхнего слоя почвы глубиной до 1 м.

2. Предложен способ контроля за временем полной и частичной очистки земель и грунтовых вод от загрязнений путем построения выходной кривой С = C (t) в технологической водоотборной скважине основанный на изменяющимися во времени площадью и углом входа вод зоны загрязнения в скважину, позволяюший обосновать выбор технологической схемы восстановления качества грунтовых вод для проведения земельно-охранных мероприятий.

3. Разработана имитационно-технологическая система и компьютерная программа «Traector» для проектирования рекультивационных и земельно-охранных систем по ликвидации остаточных загрязнений в условиях проточности мелиорантов.

4. Обоснованы и разработаны технологические схемы восстановления качества загрязненных грунтовых вод для охраны земель от техногенных загрязнений, которые классифицированы по типу совмещения водоотборного и поглощающего устройств на две группы: с раздельными водоотборным и поглощающим устройствами и с совмещенными водоотборным и поглощающим устройством.

5. Разработана земельно-охранная система по ликвидации загрязнения земель нефтепродуктами, включающая пару технологических скважин: водопоглощающую и водоотборную. Земельно-охранная система производит очистку земель на площади до 1 га при глубине эффективной очистки — 1 — 30 м и загрязнениях нефтепродуктами верхних слоев почвы 100- 150 г/кг, грунтовых вод — 10−50 мг/л. Произ.

136 водительность системы — 10 — 200 м’А/сут при концентрации растворенного кислорода в поглощающей скважине — 10 — 15 мг/л.

6. Созданы технологические схемы восстановления качества грунтовых вод, которые соответствуют требованиям по снижению техногенного загрязнения земель, позволяющие с достаточной точностью воспроизводить ситуации предложенные зарубежными фирмами, при этом снижение концентрации нефтепродуктов в верхних слоях почвы происходит с Снач 150 г/кг до ПДК = 5 г/кг, снижение концентрации нефтепродуктов в грунтовых водах с Сдач 50 мг/л до ПДК = 0,1 мг/л.

7. Достаточная сходимость результатов натурных экспериментов и теоретических исследований позволяет утверждать, что предложенный способ моделирования процесса восстановления качества грунтовых вод, может быть использован в технологических схемах очистки земель от нефтяных загрязнений. Экономический эффект биологической мелиорации 1 мА загрязненных нефтепродуктами земель в ценах 2000 года составляет 174,48 руб.