Нормирование и минимизация образования и опасности нефтезагрязненных почв для природной среды: на примере ОАО «Татнефть»

Актуальность работы. Впервые добыча сырой нефти в значительных количествах началась в мире в 1880 году. С тех пор ее добыча росла экспоненциально. Добыча нефти и нефтепродуктов, их переработка и транспортировка оказывают значительное воздействие на состояние окружающей среды, приводят к глубокому изменению всех звеньев естественных биоценозов или их полной трансформации. Ежегодно на поверхности Земли рассеивается около 50 млн. тонн нефти. Подобные масштабы нефтедобычи и высокий уровень рассеяния позволяют отнести нефтепродукты к приоритетным загрязняющим веществам [1]. В настоящее время нефтяные продукты постоянно расходуются на удовлетворение более 60% мировых энергетических потребностей. Известно, что энергетическая программа России на длительную перспективу предусматривает увеличение добычи «черного золота», а это, в свою очередь, ведет к расширению сети трубопроводов, возрастает количество перевозок нефти и нефтепродуктов.

Проблемы загрязнения окружающей среды нефтью и нефтепродуктами важны и для Республики Татарстан (РТ), на территории которой более 50 лет-назад была впервые обнаружена нефть и с тех пор интенсивно ведется ее добыча. Промышленная добыча нефти на юго-востоке Татарстана за 40 лет подвергла загрязнению более 178,5 тыс. га земель, включая значительные площади сельскохозяйственных угодий, и привела к ухудшению экологической обстановки в регионе. Кроме того, аварии на нефтепроводах приводят к засолению и замазучиванию почв площадью в сотни гектаров ежегодно. Ежегодно по этой причине выводятся из оборота около двухсот гектаров продуктивных земель, в т. ч. богатых гумусом плодородных почв. В настоящее время выявлена непосредственная связь между соблюдением экологических нормативов, уровнем загрязненности окружающей среды нефтепродуктами и здоровьем населения.

Поэтому неотъемлемой частью современной экологической стратегии ОАО «Татнефть» является рекультивация техногенно нарушенных земель. Важнейшим условием оптимизации затрат на проведение работ по рекультивации является разработка регионального норматива допустимого остаточного содержания нефти и продуктов её трансформации в почвах после проведения рекультивационных и иных восстановительных работ, которых на данный момент в Татарстане отсутствует. Для решения задач охраны окружающей среды важное значение имеют оценка экологической опасности нефтезагрязненных почв, объемы образования нефтезагрязненных отходов.

Актуальным также является поиск путей повышения эксплуатационной надежности трубопроводов, используемых в системе нефтесбора, как один из подходов к предотвращению аварийных разливов нефти и защите почв от загрязнения. В настоящее время в этом направлении высокой эксплуатационной надежностью обладают металлопластмассовые трубы (МПТ). По техническим условиям на МПТ на внутреннюю поверхность стальной трубы в целях защиты металлической поверхности межтрубного пространства должна быть нанесена ингибирующая мастика. Но действующая технология нанесения и уменьшенная концентрация активной основы в ингибирую-щей мастике не позволяют ей выполнить свои защитные функции при проникновении в межтрубное пространство транспортируемой среды. Исходя из вышесказанного, возникает необходимость подбора пленкообразующих ингибирующих составов с хорошими защитными эффектами в нефтепромысловых средах, которые могли бы быть легко нанесены на внутреннюю поверхность стальной трубы.

Таким образом, проблемы, связанные с загрязнением почв сырой нефтью и нефтепродуктами в зоне нефтедобычи, на участках размещения нефтепродуктов и в ходе их транспортировки, являются чрезвычайно актуальными.

Цель данной работы — определение допустимых уровней содержания нефти в выщелоченных черноземах РТ и поиск путей защиты почв от нефтяного загрязнения при разработке нефтяных месторождений и транспортировке нефти (на примере ОАО «Татнефть»), Задачи исследований:

1. На основе результатов полевых и лабораторных исследований выявить лимитирующий признак вредности остаточной нефти в нефтезагряз-ненной почве после проведения рекультивационных работ для окружающей среды и определить уровень ее допустимого содержания в почве на территории нефтедобычи Республики Татарстан.

2. Методами экотоксикологии и экологического нормирования дать сравнительную характеристику экологической опасности почв, загрязненных сернистой нефтью, до и после их рекультивации.

3. Провести ранжирование диапазона содержания необводненной сернистой нефти в почвах в результате разгерметизации трубопроводов или авариях для отнесения их к различным классам опасности. С учетом класса опасности, плотности нефтезагрязнённой почвы, площади аварийного разлива и глубины проникновения нефти в почву оценить количество образования нефтезагрязнённых почв, подлежащих рекультивации либо использованию для выделения из них нефти.

4. Систематизировать основные источники образования нефтесо-держащих отходов технологических процессов в сфере деятельности ОАО «Татнефть», оценить их опасность для окружающей среды, объем и нормативы образования нефтесодержащих отходов из разных источников.

5. На основе комплексного физико-химического исследования антикоррозионных свойств ряда известных материалов и предложенных в данной работе их модификаций выявить наиболее эффективные и технологичные для изоляции внутренней поверхности металлопластмассовых труб, используемых в системе нефтесбора, в целях предотвращения аварийных разливов и защиты почв от загрязнения нефтью в процессе ее транспортировки.

Научная новизна. Впервые для выщелоченных черноземов РТ научно обоснован допустимый уровень остаточного содержания нефти в почвах после проведения рекультивационных работ, лимитируемый воздействием остаточной нефти на фитопродуктивность почв.

Экспериментально показано снижение экологической опасности неф-тезагрязненных почв после их рекультивации по данным исследования водных вытяжек из образцов почв после рекультивации и водных фильтратов из рекультивированных почв, а также по результатам экологического нормирования.

Определена опасность почв, загрязненных сырой необводненной нефтью, для сопредельных природных сред и ранжирован диапазон содержания нефти в нефтезагрязненных почвах III (> 275 г/кг) и IV (< 275 г/кг) классов опасности.

Предложены пленкообразующие ингибирующие составы для антикоррозионной защиты внутренней металлической поверхности металлопласт-массовых труб, используемых в системе нефтесбора. Выявлен эффект последействия защитной пленки за счет образования хемосорбционных слоев, пассивирующих металл, обнаруживаемый после ее смыва с образцов растворителем и при ее механическом удалении по сдвигу стационарного потенциала в положительную область, резкому снижению тока анодного растворения и по данным гравиметрического метода.

На защиту выносятся положения:

1. Научно обоснованный допустимый уровень остаточного содержания нефти в почвах после проведения рекультивационных работ, лимитируемый ее воздействием на фитопродуктивность почв.

2. Оценка и обоснование снижения экологической опасности нефтезагрязненных почв после их рекультивации для окружающей среды.

3. Диапазоны содержания необводненной сернистой нефти в почвах для отнесения их к различным классам опасности.

4. Предложенные пленкообразующие ингибирующие составы для антикоррозионной защиты внутренней металлической поверхности металло-пластмассовых труб, используемых в системе нефтесбора, с выявленным эффектом последействия защитной пленки за счет образования хемосорбци-онных слоев, пассивирующих металл.

Практическая значимость. Норматив остаточного содержания нефти в почвах после проведения рекультивационных работ, разработанный во исполнение приказа МПР РФ от 12.09.2002 № 574 и утвержденный Управлением по технологическому и экологическому надзору Ростехнадзора РФ по РТ, может быть использован для целей оценки экологических ущербов и эффективности природоохранных мероприятий. Внедрение норматива ДОСНП в систему управления охраной окружающей среды ОАО «Татнефть» позволит получить экономический эффект в размере 1612,416 тыс. руб. с одного гектара за счет не взыскания вреда за загрязнение почв РТ нефтепродуктами после проведения рекультивационных мероприятий (Кздг-0) за вычетом затрат на рекультивацию нефтезагрязненных земель.

Определенная в работе опасность нефтезагрязненных почв для окружающей среды и обоснованный диапазон содержания необводненной нефти в почвах III и IV классов опасности, согласованный с ГУПР по РТ, позволяют формализовать выбор способа обращения с ними (рекультивация либо использование для выделения нефти).

Систематизация на основе анализа технологических процессов в сфере деятельности ОАО «Татнефть» основных источников образования нефтесо-держащих отходов и оценка количества их образования при разливах нефти в результате разгерметизации трубопроводов или авариях переданы в ОАО «Татнефть» для разработки мероприятий по минимизации объемов их образования и снижения опасности для окружающей среды.

Разработаны (в соавторстве) и внедрены в системе ОАО «Татнефть» следующие руководящие документы (РД):

— РД 153−39.2−258−02 «Унифицированные методики определения физико-химических свойств нефти и анализа пластовых и сточных вод»;

— РД 153−39.0−244−02 «Технологический регламент процесса утилизации жидких и твердых отходов химических лабораторий подразделений ОАО «Татнефть»;

— РД 153−39.0−307−03 «Расчет класса опасности нефтезагрязненной почвы»;

— РД 153−39.0−368−04 «Технологический регламент на работы по сбору и транспортировке нефтезагрязненного грунта на стационарные установки по выделению нефти»;

— РД 153−39.0−410−05 «Технологический регламент процесса утилизации жидких и твердых отходов бурения в условиях скважины»;

— РД 153−39.0−425 -05 «Технологический регламент процесса утилизации жидких и твердых отходов КРС, ПРС, ОПЗ и ПНП»;

— РД 153−39.0−434−05 «Система управления отходами».

Введение

в действие данных РД позволило предотвратить экологический ущерб от деятельности ОАО «Татнефть» на 21,8 млн руб./год.

Установленная большая чувствительность Ceriodaphnia aff. на содержание нефти в исследуемых почвенных образцах позволяет рекомендовать этот тест-объект для целей мониторинга.

Отдельные разделы диссертационной работы используются в учебном процессе ГОУ ВПО «Казанский государственный университет им. В. И. Ульянова-Ленина» при чтении общепрофессионального курса «Экологическое нормирование» для студентов по специальности 13 100-экология.

Личный вклад автора. Отбор, подготовка и анализ проб почв, водных вытяжек, растительных образцов, планирование химико-экологических экспериментов по экологическому нормированию, испытания антикоррозионных составов, расчет образования нефтезагрязненных отходов, классов их опасности, статистическая обработка результатов экспериментов, их обобщение и формулирование выводов на их основе проведены лично автором.

Соавторами публикаций являются научный руководитель, д.х.н., проф. Латыпова В. З., а также научный консультант к.х.н., в.н.с. Мутин И. И., д.т.н., академик АН РТ Ибатуллин P.P., д.т.н. Валовский В. М., д.х.н., проф. КГТУ (КАИ) Глебов А. Н., оказавшие ценную консультационную помощь при выполнении работысотрудники ТатНИПИнефть (г. Бугульма, РТ): с.н.с. Исха-кова Н.М., Сахабутдинов К. Г., Павлюк Н. В., принявшие участие в проведении экспериментов (разделы 3.1, 3.2, 4.2), обсуждении результатов и составлении РД, которым автор приносит свою благодарность.

В процессе работы над диссертацией и при составлении рекомендаций также учтены конструктивные советы д.т.н. Сахабутдинова Р. З., к.т.н. Зайцева В. И., к. г-м.н. Ибрагимова P. JL, к.х.н. Хасановой Д. К, к.х.н. Малыхи-ной JI. B, Мишаниной О. Е., Шакирова Ф. Ш., Шакировой И. Р., которым автор выражает признательность.

Публикации и апробация работы. По результатам, представленных в работе исследований, опубликовано 12 работ, в том числе 9 статей (из них 2 — в журналах, рекомендованных ВАК) и 3 ведомственных РД. Материалы диссертационной работы докладывались автором на региональных школахконференциях «Химия и инженерная экология» (Казань-Чебоксары, 2002 гКазань-Чистополь, 2003 г., Казань — Набережные Челны, 2004 г.), научно-технической конференции, посвященной 50-летию ТатНИПИнефть (Бугульма, 2006 г.).

Объем и структура работы. Диссертация состоит из Введения, 4 Глав, Выводов, Списка литературы и Приложения. Материал изложен на 137 с. машинописного текста, содержит 29 таблиц, 24 рисунка, 124 ссылки на литературу.

ВЫВОДЫ.

1. На основе результатов лабораторных и полевых исследований нефтезагрязненных почв на территории деятельности ОАО «Татнефть» после проведения рекультивационных работ по оценке воздействия остаточного содержания нефти на фитопродуктивность почв (выщелоченных черноземов), на качество сопредельных природных вод, атмосферного воздуха, биологическую активность и санитарное состояние почв, на транслокацию металлов в растения показано, что остаточное количество нефти в почвах после рекультивации оказывает наибольшее (лимитирующее) воздействие на фитопродуктивность почв по отношению к двусемядольному растению — гороху.

2. Экологическое нормирование допустимого остаточного содержания нефти в почвах (ДОСНП), загрязненных сернистой нефтью, после рекультивации показало, что для выщелоченных черноземов с содержанием легкорастворимых солей не выше 0,05% и обменного натрия не выше 0,3 ммоль/100 г величина ДОСНП составляет величину 2,9 г/кг почвы.

3. Существенно большее значение ДОСНП для рекультивированных почв (2,9 г/кг) по сравнению с определенным в работе допустимым уровнем содержания сырой сернистой нефти (1,65 г/кг) в выщелоченных черноземах РТ выявляет повышение экологической безопасности нефтезагрязненных почв после их рекультивации. Последнее доказывается также значительным (более, чем в 8 раз) снижением токсичности водных вытяжек из образцов почв после рекультивации для Paramecium с. и Ceriodaphnia aff. и снижением (более, чем вдвое) опасности миграции нефти в природные воды из рекультивированных почв. Установленная большая чувствительность Ceriodaphnia aff. на содержание нефти в исследуемых почвенных образцах позволяет рекомендовать этот тест-объект для целей мониторинга.

4. Определен класс опасности почв, загрязненных необводненной сернистой нефтью, для природной среды и ранжирован диапазон содержания нефти в почвах для III (> 275 г/кг) и IV (< 275 г/кг) классов опасности. Критерий отнесения почв, загрязненных необводненной сернистой нефтью, к IV классу опасности согласуется с результатами токсикологических опытов.

5. С учетом плотности нефтезагрязнённой почвы, площади аварийного разлива и глубины проникновения нефти в почву и класса опасности нефтезагрязнённой почвы оценено количество ее образования при разливах нефти в результате разгерметизации трубопроводов или аварий. Масса нефтезагрязненной почвы III класса опасности (подлежащая вывозу на установку по выделению нефти) составляет 1,36 т (для трубопровода нефтесбора) и 4,08 т (для напорного нефтепровода), Масса нефтезагрязненной почвы с остаточным содержанием нефти IV класса опасности (подлежащей рекультивации) составляет 0,07 т (для трубопровода нефтесбора) и 0,20 т (для напорного нефтепровода).

6. Для минимизации нефтяного загрязнения почв и оптимизации системы управления в обращении с нефтесодержащими отходами проведен анализ технологических процессов в сфере деятельности ОАО «Татнефть». К основным источникам образования нефтесодержащих отходов относятся: бурение скважинремонт емкостей на установках первичной подготовки нефтиочистка резервуаров хранения нефти, нефтепродуктовпроведение химических анализов в лабораториях. Разработаны нормативы образования нефтесодержащих отходов для случаев аварийных разливов нефти из-за порывов трубопроводов, строительства и ремонта скважин, проведения химических анализов в привязке с рекомендациями по обработке нефтесодержащих отходов или их использованию.

7. На основе результатов комплексных лабораторных исследований рекомендованы эффективные ингибирующие составы для антикоррозионной защиты и снижения риска утечки нефти из металлопластмассовых труб при нефтесборе, в т. ч. составы, разработанные на основе товарных материалов: Кабинор (ТУ 38.401−58−69), НГ-222, разбавленный ксилолом до 80−90% (по объему), защитный смазочный материал «Оремин-АЦ» (ТУ 0258−150.

5 767 887−00), консервационное масло К-17 (ГОСТ 10 877−76), защитный состав Кормин (ТУ 38. 1 011 159−88), разбавленный машинным маслом (1:1 масс.).

8. Выявлен эффект последействия, обнаруживаемый после смыва с образцов (НГ-222 (80% об.) + ксилол (20% об.) — Мовитин + ксилол (4:1 масс.) защитной пленки растворителем и при ее механическом удалении, а также по данным гравиметрического метода. Высказано предположение, что действие ингибиторов коррозии связано не просто с механической изоляцией внутренней поверхности трубопровода, но и с образованием хемосорбционно-адсорбционных слоев, пассивирующих металл, сдвигающих его стационарный потенциал в положительную область и резко снижающий ток анодного растворения.