Вопрос 26

Влияние нефти нефтепродуктов на состояние водной среды.

Источник: методичка «Прогнозирование состояния водной среды».

Ответ:

Нефть представляет собой сложную смесь углеводородов и их производных, каждое из этих соединений может рассматриваться как самостоятельный токсикант. В ее составе обнаруживаются свыше 1000 индивидуальных органических веществ, содержащих 83...87% углерода, 12...14% водорода, 0,5...6,0% серы, 0,02...1,7% азота и 0,005...3,6% кислорода, и незначительная примесь минеральных соединений, зольность нефти не превышает 0,1%. В состав нефти входят следующие группы углеводородов: алифатические (метановые), циклические насыщенные (нафтеновые), циклические ненасыщенные (ароматические). Имеются смешанные (гибридные) углеводороды: метано-нафтеновые, нафтеново-ароматические.

Нефть и нефтепродукты, попадая в водоем, мигрируют в пленочной, эмульгированной и растворенной формах, а также в виде нефтяных агрегатов. Нефть на воде образует поверхностную пленку (1 тонна нефти способна образовать сплошную пленку площадью 2,6 км², 1 кг нефти может распределиться на 1 га, а одна капля – соответственно 0,25 м², то есть нефть разливается по поверхности воды тонким, зачастую мономолекулярным слоем), которая подвергается множеству физических, химических, биохимических, и механических процессов (испарение, эмульгирование, растворение, окисление, биодеградация, седиментация, повторное всплытие на поверхность или выброс на берег). Самоочищающиеся природные процессы в водоеме связаны с распадом, трансформацией и утилизацией загрязняющих веществ, им способствуют температурные условия, ветер, волны, течение, наличие осадков, солнечная радиация.

Наиболее интенсивно процесс испарения нефти с поверхности водоема (касается летучих фракций нефти) протекает в первые часы. Уже через 0,5 часа летучих соединений не остается, к концу первых суток испаряется 50% соединений, содержащих углеводороды С₁₃...С₁₄; к концу третьей недели – 50% соединений С₁₇. Считается, что в первые сутки при температуре 20...22^оС испаряется до 80% технического бензина, 22% керосина, до 15% нефти. В целом потери от испарения составляют 1/3...2/3 от всей массы разлитой по водной поверхности нефти. Скорость испарения зависит от компонентного состава нефти, температуры среды, ветровой и волновой деятельности и степени растекания нефти или нефтепродукта на водной поверхности. Растекание, ветер, волны и течения увеличивают горизонтальные размеры нефтяного пятна. Скорость перемещения нефтяного пятна составляет 60% скорости течения и 3...4% скорости ветра. При скорости ветра до 6...8 м/с испарение составляет 60%.

В воде постепенно растворяются жирные, карбоновые и нафтеновые кислоты, фенолы, крезолы. Через несколько суток в результате химического и биохимического разложения образуются другие растворимые соединения – окисленные углеводороды, токсичность которых значительно выше, чем неокисленных углеводородов.

Испарение нефти и ее частичное растворение в воде приводит к увеличению плотности и вязкости нефтяной пленки, уменьшению поверхностного натяжения, растекание прекращается. Нефтяная пленка нарушает газовый обмен между водоемом и атмосферой по кислороду, углекислому газу и другим соединениям, нарушаются процессы теплообмена, обмена энергией, освещенности (снижается интенсивность светового потока, замедляется фотосинтез и аэрация воды – поэтому гибнет фитопланктон), меняется химическая способность воды, вода обедняется кислородом. Личинки некоторых рыб поднимаются на поверхность воды, чтобы заполнить плавательный пузырь воздухом, заглатывают нефть и гибнут. Рыба гибнет в воде при концентрации нефти 0,5 мг/л, бентос и планктон – 1,2 мг/л.

Волны и течения вызывают развитие турбулентных движений, что приводит к распадению нефтяной пленки на отдельные пятна и капли. Нефть очень быстро адсорбирует воду в количестве 50...80% ее объема и формирует эмульсию типа «вода в нефти». Эмульгирование нефтяных соединений зависит от физико-химических свойств нефти и гидрометрических факторов: ветра, волнения, вертикальной турбулентности, температуры воды, наличия взвесей и твердых частиц. Эмульсии могут опускаться на дно или всплывать. При участии диспергирующих химических соединений образуется эмульсия другого типа - «нефть в воде» - образуются мельчайшие капельки нефти в воде, что резко увеличивает поверхность раздела сред и способствует ускорению физико-химических и биохимических процессов разрушения нефтяных углеводородов. Под влиянием физических процессов вязкость эмульсии повышается, происходит слипание капель в агрегаты, размер которых колеблется от миллиметра до сантиметра, и под действием сил тяжести агрегаты оседают на дно водоема. Агрегаты состоят в основном из парафиновых и ароматических углеводородов, являющимися для водной среды стойкими образованиями, существуют годами. Нефть, осевшая на дно, нарушает работу гидробионтов (донных организмов). Часть содержащейся в воде нефти и продуктов ее разложения сорбируют донные отложения, особенно глинистые илы. Также возможно зависание в воде на глубине 15...20 см тяжелых соединений нефти в виде смоляных пластилинообразных комочков, к ним прилипают водоросли, планктон, их заглатывают рыбы.

В водной среде нефть и нефтепродукты подвергаются многочисленным процессам, наиболее значимыми являются химические и микробиологические (биохимические) процессы, в основе которых лежат окислительно-восстановительные, фотохимические и гидролитические реакции. На долю химического окисления приходится 10...50% биохимического окисления органического вещества, на долю микробиологической переработки – свыше 60%. Процессы окисления органических веществ в водоеме осуществляется с участием многоступенчатых ферментных и биохимических реакций, в которых металлы с переменной валентностью и элементоорганические соединения активизируют действие растворенного кислорода. Биохимическое окисление нефти и нефтепродуктов осуществляется микроорганизмами, способными утилизировать органические соединения, используя их в качестве естественного источника углерода и энергии. Биохимическое разложение основной массы разлитой нефти протекает очень медленно, так как в природе не существует определенного вида микроорганизмов, способного разрушить все компоненты нефти. Бактериальное воздействие отличается высокой селективностью, и полное разложение нефти требует наличия многих видов микроорганизмов, причем образующиеся промежуточные продукты требуют для разрушения своих микроорганизмов. Легче всего подвергаются микробиологическому разложению парафины, более стойкими являются циклопарафины и ароматические. Тяжелые фракции нефти не разлагаются, образуют с водой стойкие эмульсии, чему способствует присутствие в воде органических веществ, бактерий и планктона.

Процессы разложения нефти в воде протекают медленно. Для полного окисления нефти в аэробных условиях требуется 100...150 дней, в анаэробных – еще больше. Для разложения нефти требуется много кислорода. Для полного окисления 1 л нефти в летних условиях необходимо столько кислорода, сколько его содержится в 400 тыс. л воды (в условиях летних температур в 1 л речной воды содержится 7...8 мг кислорода, в зимний период – 4 мг/л и менее).

Ультрафиолетовое излучение Солнца существенно ускоряет деструкцию компонентов нефти, но при этом образуются продукты распада, как правило, сильно токсичные для гидробионтов.

В нефтяной пленке растворяются некоторые вредные вещества, содержащиеся в воде: сельскохозяйственные ядохимикаты, тяжелые металлы.

Нефтяное загрязнение водоема приводит к изменению запаха (достаточно наличия в воде 200...400 мг/м³ нефти), вкуса, окраски, поверхностного натяжения, вязкости воды, уменьшается количество кислорода в воде, появляются вредные органические вещества, нарушается протекание химических процессов в водоеме, вода приобретает токсические свойства.

Токсичность нефти в водной среде проявляется при концентрации более 1 мг/м³. Все компоненты нефти токсичны для водных организмов, парафины и ароматика оказывают негативное воздействие на личинки рыб, первые двое суток повышается их активность, на третьи сутки они опускаются на дно, гибнут. Непредельные углеводороды губят икру, из уцелевших икринок выводится изуродованное потомство. Среди углеводородов наиболее токсичными и быстродействующими являются низкокипящие ароматические углеводороды – бензол, толуол, ксилол и др. Даже при малых концентрациях они оказывают медленное отравляющее действие на низшие формы жизни в водоемах. Нефть содержит канцерогенные вещества (например, полициклические соединения), которые вызывают опухоли и мутацию у рыб. Накопление нефти происходит в цепи питания простейших и высокоорганизованных животных.