Последствия загрязнения водной среды сырой нефтью

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

· 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 концентрирование 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 концентрирование в замкнутой биологической цепи питания с участием низших организмов. Таким образом, введение загрязнений в пита­тельную среду моря ускорится.

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.

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.

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.

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.

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 суспензированием взвешенных частиц, содержащих углеводород. В

прибрежных и мелководных районах повторное суспензирование 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. 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), 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. Содержание углеводородов в различных типах донных

Дата добавления: 2014-01-20