Загрязнение почвы нефтью и нефтепродуктами (80

ЗАГРЯЗНЕНИЕ ПОЧВЫ НЕФТЬЮ И НЕФТЕПРОДУКТАМИ

НОВИКОВ А.Н., начальник Управления природных ресурсов и охраны

окружающей среды МПР России, доктор техн. наук, профессор, зав. кафедрой «Сервис и ремонт машин» ОрелГТУ

ЛАПИН А.П., директор ФГНУ ВНИИОТ, доктор техн. наук, профессор

ТЮРИКОВ Б.М., кандидат техн. наук, ФГНУ ВНИИОТ БОБКОВАЯ, инженер ФГНУ ВНИИОТ

Почва — важнейший природный ресурс, так как облада­ ет плодородием — способностью удовлетворять потребности растений в питательных веществах и, следовательно, обес­ печивать рост, развитие и биологическую продуктивность (урожай) сельскохозяйственных культур.

Плодородные почвы богаты гумусом, макро- и микроэле­ ментами, необходимыми для развития фитоценозов.

Негативные геохимические изменения в биогеоценозах и связанное с этим ухудшение условий обитания растений и животных отмечены при резко выраженной эрозии почв. При ветровой и водной эрозиях происходит разрушение почв с потерей гумуса и элементов минерального питания расте­ ний. Плодородие почв снижается. Наблюдаются антропо­ генные биохимические аномалии, характеризующиеся уменьшением макро- и микроэлементов в среде.

Другая причина изменения геохимии почв — загрязне­ ние биогеоценозов химическими веществами.

Оптимизация биогеохимии почв — одно из необходи­ мых условий успешного развития растениеводства и жи­ вотноводства.

Почва играет большую роль в природе и в жизни челове­ ческого общества. Растения усваивают из нее воду и пита­ тельные элементы, сами становясь пищей для животных и человека. Таким образом, почва является условием удержа­ ния и дальнейшего развития жизни на Земле.

В соответствии с современными представлениями почвой

считается самостоятельное природное тело, образовавшееся в результате изменения верхней части земной коры при длительном и совместном воздействии растительных и жи­ вотных организмов и микроорганизмов, климата, рельефа, а также производственной деятельности человека. Перечис­ ленные и другие условия называются факторами почвооб­ разования и существенно влияют на последнее.

Значительное место по своему негативному воздействию яа человека и окружающую среду занимает загрязнение [ючвы и водной среды, зоны аэрации, поверхностных и под5емных вод нефтью и нефтепродуктами. Наиболее опасны­ ми для человека видами загрязнения почвы и водной среды являются нефть и нефтепродукты.

Большое влияние на наземные биогеоценозы оказывают збросы отработанных нефтепродуктов.

В связи с бурным развитием нефтяной, химической про­ мышленности и интенсификацией сельскохозяйственного производства происходит загрязнение земель в результате аварийных или неконтролируемых утечек при производстве, транспортировке, применении, хранении и утилизации ве­ ществ, оказывающее отрицательное воздействие на окружа­ ющую среду, которое представлено нефтью, нефтепродукта­ ми (углеводородами), сельскохозяйственными ядохимика­ тами и продуктами химических производств.

Нефть и нефтепродукты относятся к числу основных за­ грязнителей окружающей среды, которые наряду с други­ ми поллютантами ставят под угрозу не только нормальное функционирование различных экосистем, но и существова­ ние самого человека.

Экологические проблемы, связанные с загрязнением ок­ ружающей среды нефтью и нефтепродуктами, имеют ряд особенностей, приводящих либо к принципиальной пере­ стройке экосистем, либо к их полной деградации. Наиболее интенсивному загрязнению нефтью и нефтепродуктами под­ вергаются лесные массивы, сельскохозяйственные угодья, Прилегающие к зонам функционирования скважин, распо-

160 Экологическая безопасность региона: опыт, проблемы, пути решен

ложения накопителей нефти-сырца, магистральных нефтепро­ водов, нефтеперерабатывающих предприятий. Главным нега­ тивным эффектом загрязнения природных сред углеводород­ ными токсикантами является частичная или полная потеря почвой и водоемами своих биогеоценотических функций.

Попавшее в водоносный горизонт загрязняющее вещество переходит в два основных состояния: в жидкую или раство­ ренную фазу, т.е. находится в растворе или на зеркале под­ земных вод, и сорбированную фазу, когда часть загрязняю­ щего вещества удерживается частицами почвогрунта. Объем сорбированной фазы в отдельных случаях может достигать 40% от общего количества загрязняющего водоносный го­ ризонт вещества.

Установлено, что основными источниками загрязнения нефтью и нефтепродуктами почв и поверхностных вод суши являются нефтепромыслы на суше и континентальном шель­ фе, нефтепроводы, нефтераспределительные пункты и базы, автомобильный транспорт, предприятия нефтеперерабаты­ вающей промышленности.

Наиболее чувствительный экологический ущерб наносится в результате аварий на магистральных и внутрипромысловых трубопроводах. При разрушении магистрального газо­ провода и мгновенном высвобождении энергии газа возни­ кают механические повреждения природного ландшафта и рельефа, нарушение целостности почвеннорастительного покрова. При возгорании газа механическое и бризантное воздействие сопровождается термическим воздействием с со­ ответствующим синергетическим поражением территорий радиусом до 540 м от очага аварий. Отмечается разлет фраг­ ментов трубопровода на 480 м.

Причиной загрязнений бывают, как правило, грубые на­ рушения технологии добычи, переработки и системы рас­ пределения нефти и нефтепродуктов и различные аварий­ ные ситуации, при которых происходят разливы нефти, неф­ тепродуктов и вод, содержащих нефть. К ним относятся:

— пластовые воды, состоящие из сырой нефти, газа, не-

паратах, где хранятся нефтепродукты, в которых содержит­ ся большое количество парафинов (26—45%), асфальтовых

исмолистых веществ (15—30%), связанной нефти.

Споступлением нефти и нефтепродуктов в окружающую среду наряду с процессами микробиологического и хими­ ческого разложения происходит их испарение, что может служить источником загрязнения атмосферы и почв. Не­ фтяные вещества способны накапливаться в донных отло­ жениях, а затем с течением времени включаться в физикохимическую, механическую и биогенную миграции веще­ ства. Преобладание тех или иных процессов превращения, миграции и аккумуляции нефтепродуктов чрезвычайно силь­ но зависит от природно-климатических условий и свойств почв, в которые поступают эти загрязняющие вещества. Количество легких фракций тесно связано с плотностью и вязкостью нефти, количеством смолистых компонентов, групповым углеводородным составом. Легкие фракции об­ ладают повышенной токсичностью для живых организмов, в то же время их высокая испаряемость способствует быст­ рому самоочищению компонентов природной среды. Пара­ фин не оказывает сильного токсического действия на жи­ вые организмы, но благодаря высокой температуре засты­ вания существенно влияет на физические свойства почв. По степени парафинистости нефти и содержанию легких фрак­ ций можно судить о характере воздействия нефтяного за­ грязнения на почву и устойчивости этого воздействия. Со­ держание серы — также важный признак при оценке влия­ ния нефти на природную среду. С увеличением сернистости нефти возрастает опасность сероводородного загрязнения.

На слабозагрязненных участках почвы нефтебаз содер­ жание углеводородов не превышает 500 мг/м2, на сильнозагрязненных составляет 25-30 кг/м2.

Почва на нефтебазах часто загрязнена нефтяными шламами, образующимися в системе оборотного водоснабжения и при зачистке резервуаров. Основное количество шламов приходится на флотаторы (35-45%) и нефтеловушки (25-

30%). Шламы представляют собой тяжелые нефтяные ос­ татки, содержащие в среднем (по массе) 10-15% нефтепро­ дуктов, 30-85% воды, 1,3-46% твердых примесей.

Учитывая, что практически в каждом более или менее крупном населенном пункте России имеются нефтебазы и широкая сеть реализации нефтепродуктов, загрязнение гео­ логической среды нефтепродуктами имеет широкие масш­ табы.

Проблема сбора нефтепродуктов с поверхности воды или почвы весьма актуальна, так как при эксплуатации и ре­ монте нефте- и продуктопроводов имеют место аварийные ситуации и, как следствие, утечки и растекание нефтепро­ дуктов по поверхности земли и близлежащих водоемов. Это не только приводит к потерям нефтепродуктов, которые в реальных условиях оцениваются в 0,5—2% годового объема их добычи, но и наносит вред окружающей среде.

При разливах на почвах нефть и нефтепродукты прони­ кают вглубь, адсорбируются на частицах, заполняют поры, т.е. ухудшаются показатели, во многом определяющие фи­ зическое плодородие почв: влагоемкость, проницаемость, плотность. Нарушается химический и биологический состав почв: гибнут за счет высокой фитотоксичности одни микро­ организмы и растения, размножаются другие, уменьшается содержание подвижных форм биогенных элементов: калия, азота, фосфора. То же самое происходит и при пожарах, но за счет прогрева почвенного слоя и большей токсичности ос­ татка несгоревших нефтепродуктов плодородие почв снижа­ ется еще больше. Степень опасности зависит от количества углеводородов, находящихся в почве. Загрязнение считается слабым при содержании в почве до 15% масс. (2... 16 кг/м2) гефтепродуктов, средним — до 30% масс, сильным — ботее 30% масс. (40 кг/м2). Численность углерод-окисляющих )актерий может служить индикатором загрязнения почв неф­ тепродуктами.

Основное влияние нефти и нефтепродуктов на почвеннорастительный покров сводится к снижению биологической

п*

164 Экологическая безопасность региона: опыт, проблемы, пути решения

продуктивности почвы и фитомассы растительного покро­ ва. При разливе нефти в количестве 12 л/м2 фитомасса на­ земной части растений через 3 года уменьшилась на 74%, а при разливе 25 л/м2 — на 90% за один год.

Разные породы деревьев неодинаково реагируют на не­ фтяное загрязнение. При слабом загрязнении восстановле­ ние лиственных и хвойных пород деревьев начинается че­ рез год, при среднем — через 4...5 лет. При сильном загряз­ нении лиственные деревья в небольшом количестве прорас­ тают через 6...7 лет, а хвойные не восстанавливаются даже через 15 лет. С увеличением возраста деревьев реакция на загрязнение ослабевает.

В регионах развития нефтегазового комплекса допуска­ ются как постоянные нарушения почвенно-растительного покрова территорий (до 7% площади ее освоения), так и разовые (до 50%). В зонах планировки трасс прокладки трубопроводов происходит полное уничтожение раститель­ ного покрова на площадях, составляющих 15% площади освоения.

Период самовосстановления растительного покрова пос­ ле загрязнения почвы нефтью для северных условий состав­ ляет от 10 до 15 лет. При обследовании места нефтяного загрязнения через несколько лет после аварии трубопрово­ да нефть обнаруживали на глубине более 1 м.

При выполнении сельскохозяйственных работ вблизи нефтехранилищ, компрессорных и насосных станций, авто­ заправочных станций, складов горюче-смазочных материа­ лов, гаражей имеет место загрязнение почвы, воды, атмос­ феры нефтепродуктами. Обычной является картина «замазученных» территорий, которые ухудшают физико-химиче­ ские характеристики почвы, воды.

При высоких дозах нефти почвенная масса становится гидрофобной, механические элементы и структурные агре­ гаты покрываются нефтяной пленкой, которая изолирует питательные вещества от корневых систем растений. По­ чвенные частицы слипаются, а при старении и частичном

окислении компонентов нефти последняя загустевает и по­ чвенный слой превращается в асфальтоподобную массу, ко­ торая совершенно непригодна для произрастания естествен­ ной растительности или возделывания сельскохозяйствен­ ных культур.

Почвы существенно различаются по устойчивости к хи­ мическому загрязнению. Аккумуляция поступающих в них химических веществ зависит от таких свойств почвы, как содержание гумуса, механический состав, карбонатность, реакция среды, емкость поглощения. Относительная опас­ ность загрязнения почв биохимически активными элемен­ тами возрастает при утяжелении механического состава почв и уменьшении коэффициента увлажненности.

Загрязнение наземных биогеоценозов обычно начинается с частичного угнетения населяющих почвы и поверхност­ ные воды организмов, затем страдает высшая растительность, и, наконец, начинается деградация и разрушение почвенно­ го покрова.

В районах нефтедобычи и нефтепереработки наблюдает­ ся интенсивная трансформация морфологических, геофи­ зических, физико-химических, микробиологических свойств, а иногда и существенные изменения почвенного профиля, что приводит к потере загрязненными почвами плодородия. Глубина их изменения зависит от продолжи­ тельности загрязнения, состава и концентрации компонен­ тов нефти, ландшафтно-геохимических особенностей тер­ ритории и проявляется в смещении реакции почвенного раствора в щелочную сторону, повышении общего содер­ жания углерода в почве в 2—10 раз, а количества углеводо­ родов — в 10-100 раз.

Существенно меняются морфологические свойства почв: усиливается кутанообразование, происходит изменение цве­ товых характеристик почвенного профиля в сторону преоб­ ладания серо- и темно-коричневых оттенков, ухудшается структура почвы. Конечным результатом нефтяного загряз-

нения является формирование почвенных ареалов с необыч­ ными для зональных условий чертами, зональные типы сменяются техногенными модификациями, снижается про­ дуктивность почв вплоть до необходимости вывода загряз­ ненных земель из сельскохозяйственного оборота.

Загрязнение нефтепродуктами обычно проявляется через много лет, когда степень его достигает уже значительных величин, а локализация'и ликвидация требуют больших затрат времени, средств и материальных ресурсов.

Несмотря на опасные последствия от загрязнения не­ фтью и нефтепродуктами, при низких концентрациях нефть и некоторые ее компоненты оказывают стимулиру­ ющее действие на почвенную биоту. она является энерге­ тическим субстратом для микроорганизмов, стимулирует рост некоторых почвенных грибов — Paecilomy, Fusarium. Некоторые виды Scolecobasidium обнаружены в почве, на­ сыщенной нефтепродуктами. Эти виды целесообразно ис­ пользовать в качестве биоиндикаторов на нефтяное за­ грязнение.

Токсичность нефти объясняется присутствием летучих ароматических углеводородов (толуол, ксилол, бензол), на­ фталина и ряда других фракций нефти. Эти соединения легко разрушаются и удаляются из почвы. Поэтому период остро­ го токсического действия нефти сравнительно короток. В составе нефти также содержатся метан и пропан, которые окисляются соответствующими видами микроорганизмов, это представители группы аэробных грамотрицательных бак­ терий родов Pseudomonas, Methylococcus, Methylobacter, Methylocinus. Метаноокисляющие микроорганизмы широ­ ко распространены в почвах газоносных районов, а также там, где идет энергичный распад органических веществ в анаэробных условиях. Микроорганизмы, использующие высшие члены гомологического ряда алканов, являются обычными обитателями почв нефтеносных районов и слу­ жат индикаторами нефтяных месторождений или нефтяных загрязнений.

Различным уровням нефтяного загрязнения почв соот­ ветствуют особые микробные системы. Низкому уровню за­ грязнения соответствуют флуктуационные изменения мик­ робной системы почв, затрагивающие интенсивность мик­ робиологических процессов. Средний уровень загрязнения приводит к возникновению сукцессионных изменений, ко­ торые выражаются в перераспределении степени домини­ рования микробных видов. Этот уровень загрязнения со­ провождается устойчивыми нарушениями нормального фун­ кционирования почвенной микробиоты. Высокий уровень загрязнения характеризуется нарастанием сукцессионных изменений в микробной системе, полной сменой состава 'микроорганизмов. Доминирующее положение занимают 'микроорганизмы, резистентные к данному загрязняюще­ м у веществу. Очень высокому уровню загрязнения соот­ ветствует практически полное подавление активности мик­ роорганизмов.

|- Длительное воздействие нефти на почву приводит к из­ менениям ее микробиологических свойств. Появляются спешиализированные формы микроорганизмов, способные окисвшть твердые парафины, газообразные углеводороды, аро­ матические углеводороды: это бактерии родов Arthrohfcter,

3ryptocjccus, Rhodotorula, Rhodosporidium, Sporobolomyces, forulopsis, Trichosporon. Нефтяное загрязнение влияет на вменение численности актиномицетов, грибов, причем наи­ менее чувствительны виды грибов Rhiropus niqricans liqricans, Fusarium m'oniliforme, Asperqillus flavus и Austus. Чувствительными к воздействию нефти являются нитри­ фицирующие бактерии. В присутствии значительных ко­ личеств нефти подавляется развитие целлюлозо-литичес- ffix микроорганизмов. Высокую чувствительность к нефти 1роявляют зеленые и желто-зеленые водоросли.

*' Токсическое действие нефти на высшие растения изуче-