Научно-методические основы технологии идентификации и мониторинга нефтяных загрязнений

НАУЧНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ ИДЕНТИФИКАЦИИ И МОНИТОРИНГА НЕФТЯНЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ

Реализация современных методических подходов к оценке уровня нефтяных загрязнений, регламентированных в Постановлении Правительства РФ № 240 от 15.04.2002 г. и МПР России № 574 от 12.09.2002 г., предусматривает необходимость оценки не только содержания остаточной нефти, но и продуктов ее трансформации. Вместе с тем, проводимые в настоящее время работы по практической реализации данных рекомендаций [3] в большинстве своем сохраняют основной недостаток предыдущих подходов — оценка уровня нефтяного загрязнения природных геосистем производится только с использованием аналитического понятия «нефтепродукты» (НП), отождествляемого с углеводородными соединениями (УВ), а продукты их трансформации по-прежнему остаются за рамками контроля. Не вдаваясь в обсуждение неоднозначности самого понятия «нефтепродукты», отметим, что сведение нефтяного загрязнения только на углеводородное не позволяет реально оценить качество нефтезагрязненных геосистем и возможность их возврата в хозяйственное пользование. Кроме того, декларированный принцип обязательного контроля возможной эмиссии нефти и продуктов ее трансформации в сопредельные среды требует обязательного учета характера их перехода в водную среду, являющуюся основным транспортом поллютантов, что также остается за рамками исследований.

Совершенно очевидно, что практическая реализация мониторинга нефтяных загрязнений требует разработки таких решений, стратегическая ориентация которых позволяет контролировать весь спектр экологически значимых нефтяных соединений с учетом характера их растворимости и миграционной способности.

Научно-методической основой предлагаемой технология идентификации и мониторинга нефтяных загрязнений (ТИМОН), представляющей совокупность химико-аналитических приемов и способов диагностики объектов окружающей среды и включающей разноуровневый комплекс геохимических показателей, является:

• — знание природных механизмов и направленности биогеохимических процессов трансформации нефти в условиях гипергенеза;
• — битуминологический подход, позволяющий выделить из всей совокупности органических соединений наиболее информативные для экогеохимии показатели с раздельной оценкой природной и техногенной составляющих;
• — экспериментальное моделирование, позволяющее определить поведение техногенной составляющей в условиях гипергенеза, выделить генетические маркеры и оценить влияние загрязнения на сопредельные среды;
• — комплексный способ получения информации о состоянии органического загрязнения современными физико-химическими методами анализа с применением аппаратуры, позволяющей работать на различных концентрационных уровнях (0,1−10−7%);
• — применение информационной базы геохимических данных для идентификации источника органического загрязнения природных геосистем и мониторинга нефтяных загрязнений.

Проведенные исследования аварийных разливов нефти и моделирование ее поведения в натурных («нефть-почва») и лабораторных («нефть-вода», «нефть-почва-вода») экспериментах позволили проследить эволюцию загрязнения, понять механизм и направленность преобразований нефтяных структур, оценить экологическую значимость продуктов деградации нефти и обосновать возможность их применения при диагностике и контроле нефтяных загрязнений [1, 2].

Исследования показали, что деградация нефти носит этапный характер, идентифицируемый по ее геохимическим характеристикам (рис. 1).

Характерной чертой первого этапа является определенная стабильность фракционного состава нефтяных битумоидов на фоне снижения общего содержания поллютанта. При этом Фракции нефтяных битумоидов:

Характерной чертой первого этапа («свежее» загрязнение) является определенная стабильность фракционного состава нефтяных битумоидов на фоне снижения их общего содержания. При этом в каждой фракции идут активные изменения, сопровождающиеся деградацией углеводородной основы нефти с образованием ненасыщенных алканов и нафтенов, окисей, спиртов и простых эфиров. Второй этап («зрелое» загрязнение) отличается интенсивным осмолением нефтяных битумоидов: доля УВ падает, уступая доминирующую позицию полярным соединениям, содержащим атомы кислорода, галогенов, серы, азота (гидрированные бии триарены, оксосоединения, кислоты, сложные эфиры, тиолы). Темп-контролирующим фактором деградации нефти и характерной чертой третьего этапа («старое» загрязнение) являются полициклические ароматические углеводороды, во главе с бенз (а)пиреном (рис. 2), и их токсичные производные (оксихиноны, фталаты), содержание которых в десятки раз превышает фоновые показатели.

Таким образом, эволюция нефтяного загрязнения в условиях гипергенеза приводит к трансформации углеводородной составляющей в комплекс устойчивых битуминозных гетероатомных соединений, в том числе относящихся к категории стойких органических загрязнителей высокого класса опасности (полиароматические оксихиноны, хлорпарафины, фталаты), необходимость контроля которых регламентирована Стокгольмской конвенцией (2001 г.).

Рис. 2. Динамика содержания бенз (а)пирена в нефтезагрязненных почвах

Экспериментальное моделирование поведения системы «вода — нефть» показало, что формирование водорастворимого комплекса, идущее за счет взаимосвязанных физико-химических и биохимических процессов, не носит ярко выраженного затухающего характера и сопровождается поступлением в водную фазу широкого спектра соединений (табл. 1).

Таблица 1.

Изменение состава аквабитумоидов в системе «нефть — вода»

Трансформация нефтяных соединений в водной среде приводит к формированию специфического состава водорастворенной органики, отличительной особенностью которой является не только повышенное содержание углеводородных соединений (НП), но и присутствие широкого спектра устойчивых в водной среде гетеросоединений (спирты, кислоты, эфиры), роль которых со временем становится преобладающей.

Эколого-геохимического оценка водорастворимых продуктов деградации нефти показала, что многие из них представляют более высокую экологическую опасность, чем углеводородные соединения (табл. 2).

Таблица 2.

Эколого-геохимические характеристики водорастворимых компонентов нефи продуктов их деградации.

Из совокупности водорастворимых продуктов трансформации нефтей представляется возможным выделить геохимические маркеры, отражающие присутствие в составе водорастворенной органики нефтяных соединений [1].

К числу их относятся:

• 1) монои биароматические УВ, присутствие которых отражает «свежее» нефтяное загрязнение вод. Как показывают результаты лабораторного моделирования, сверхнормативное содержание бензола и толуола фиксируется в течение 10−30 дней с момента загрязнения, а содержание стирола и этилбензола спустя даже 2 месяца находится на уровне 3,5−5 ПДК. Гидрированные нафталиновые структуры с содержанием до 3 ПДК по нафталину, устойчиво присутствуют и через 4 месяца после внесения нефти в воду.
• 2) нафтеновые УВ — циклопентаны и циклогексаны, их ненасыщенные и разветвленные гомологи с метильными замещениями «нефтяного» типа. Сюда же относятся стераны и гопаны, стереохимические особенности которых и отсутствие функциональных групп позволяют отличать их от природных структур.
• 3) алифатические УВ (монометилзамещенные алканы), изопреноиды ряда С7-С12; алкены, алкины, алкаполиены с длиной цепи С21.
• 4) кислородсодержащие соединения реликтовых УВ со структурой полиенов, изопренов, нафтенов. В случае нефтяного загрязнения данные соединения имеют свои геометрические, оптические, конформационные и валентные особенности, что позволяет их отличить от природных соединений [2]. В тоже время эта группа поллютантов становится преобладающей в составе водорастворенной органики в случае «старого» нефтяного загрязнения.

Выявленные показатели достаточно селективно отражают нефтяную органику, что позволяет их использовать при идентификации источников органического загрязнения гидросферы, в т. ч. в условиях «маскирующего» влияния применяемых при борьбе с нефтезагрязнением ПАВ. Учет при оценке геохимических параметров очагов техногенного нефтезагрязнения природных геосистем продуктов трансформации нефти позволяет более обосновано судить о степени их экологической опасности.

мониторинг нефтяной загрязнение моделирование.

• 1. Бачурин Б. А., Одинцова Т. А. Проблемы диагностики и контроля нефтяных загрязнений природных геосистем // Геология, геофизика и разработка нефтяных и газовых месторождений. — 2005. — № 9−10. — С. 79−82
• 2. Одинцова Т. А. Эколого-геохимические аспекты трансформации органического вещества нефтезагрязненных геосистем // Моделирование стратегии и процессов освоения георесурсов: Мат-лы Междунар. конф. и науч. сессии. — Пермь: Горный институт УрО РАН, 2003. — С. 241−245.
• 3. Трофимов С. Я. Опыт разработки и применения нормативов допустимого остаточного содержания нефти в почвах // Региональная экологическая политика в условиях существующих приоритетов развития нефтегазодобычи: Материалы съезда экологов нефтяных регионов. Ханты-Мансийск: Полиграфист, 2007. С. 90−96.