Как рекультивируют земли, загрязненные нефтью

Подготовительные работы. На первых этапах ликвидации разлива нефти основной задачей является локализация загрязненного участка для предотвращения распространения нефтяного пятна и сбор максимально возможного количества разлитой нефти.

Поскольку основное количество разливов нефти и нефтепродуктов, допущенных в мировой практике, происходило при авариях нефтеналивных судов, наиболее полно отработаны методы локализации и сбора разлитой нефти на водных поверхностях.

Для локализации нефтяных пятен на водной поверхности применяют различные типы боновых заграждений, выпускаемые многими зарубежными фирмами. К сожалению, перечень боновых заграждений, выпускаемых в России, ограничен быстроустанавливаемыми резинотканевыми заграждениями «Уж» [5], и заграждениями типа «Анаконда». Некоторыми малыми предприятиями изготавливаются простейшие, но надежные боновые заграждения серии «БН» [6, 7] и др. При установке боновых заграждений следует немедленно организовать откачку нефти, скапливающейся перед заграждением, не допуская ее накопления в значительном количестве.

Поскольку откачку разлитой нефти легче всего осуществить с поверхности воды, на суходолах в пределах локализованных участков земель устраивают дренажные (нефтесборные) канавы, направленные к естественным либо специально отрытым углублениям (ловчим ямам), частично заполняемым водой. В этих углублениях устанавливают устройства для откачки собирающейся в них нефти.

Для повышения полноты очистки земли, после откачки основного объема разлитой нефти целесообразно использовать прием отмывки почвы от остаточной нефти струями воды, сгоняя разлитую нефть в дренажную канаву или непосредственно в понижения рельефа. Эффективность отмывки существенно повышается при добавлении в воду разлагаемых почвенной микрофлорой поверхностно-активных веществ (ПАВ) в концентрациях 0,02—0,5%.

Для сбора нефти с поверхности воды в водоемах, понижениях рельефа, в ловчих ямах, используются плавающие нефтезаборные отсасывающие устройства — скиммеры, барабанные и дисковые нефтесборщики, выпускаемые серийно, преимущественно зарубежными фирмами. Для сбора нефти с поверхности воды перспективно применение динамических нефтесборщиков- накопителей серии «НД» [8—13], работающих в автоматическом режиме и обеспечивающих отсутствие проскока нефти под боновыми заграждениями. В настоящее время эти нефтесборщики изготавливаются в единичных экземплярах ТОО «ТТЦ «Сибирьнефть» (^Нижневартовск).

Рядом отечественных и зарубежных предприятий разработаны и предлагаются потребителям впитывающие маты для сбора нефти с поверхности воды и грунтов. Лучшие образцы таких матов могут впитывать до 40 кг нефти на 1 м2 и, после отжима из них собранной нефти, могут быть повторно использованы 12—15 раз. Их рационально использовать для сбора небольших пятен разлитой нефти и для «чистовой уборки» нефти после откачки основного ее количества другими методами. При этом достигается максимально возможная полнота сбора нефти. В России такие маты с поглощающей способностью до 15 кг нефти на 1 кг мата (при плотности около 1 кг/м2) предлагаются предприятием «Экосервис» (г.Томск) и «Эчтех» (г.Томск).

Некоторые фирмы предлагают порошкообразные и гранулированные сорбенты различных типов, впитывающие разлитую нефть. Но пока не созданы и не выпускаются в промышленном масштабе механические устройства для сбора и утилизации нефтенасыщенных сорбентов, и их массовое применение на обширных разливах, характерных для промыслов Западной Сибири, малоперспективно.

Рекулыпивационные работы. После сбора разлитой нефти часть ее остается сорбированной на почве и остатках растительности. Она частично выветривается, а при более длительных сроках — частично или полностью би- туминизируется, покрывая почву плотной коркой.

Первым этапом рекультивации нефтезагрязненных земель является очистка почв и грунтов от нефти и нефтепродуктов.

Достаточно подробное описание рекомендуемых методов и приемов очистки и утилизации нефтесодержащих грунтов и отходов приведено в отчете рабочей группы международной ассоциации нефтяных компаний и предприятий нефтяной промышленности «Е amp; Р Forum» [14]. Для ликвидации нефтяного загрязнения земель рекомендуется полное удаление загрязненного грунта с последующей его очисткой. Для очистки рекомендована экстракция нефти жидкой СО2 или органические растворители, а при наличии благоприятных условий — биохимическое разложение углеводородов нефти почвенной микрофлорой. В качестве биохимических методов очистки собранного с разливов грунта предлагается устройство орошения полей, компостирование либо просто разбрасывание на почве нефтесодержащих отходов с последующим их самоочищением.

Самый простой из перечисленных методов заключается в разбрасывании загрязненных отходов по почве тонким слоем с последующими периодическими перепашками для перемешивания и аэрации. Разложение углеводородов происходит под воздействием естественной почвенной микрофлоры. Для интенсификации разложения и предотвращения выщелачивания и миграции загрязнений, в перемешанный с отходами грунт могут добавляться вода и вспомогательные вещества — удобрения, сорбенты и т.д. На одном участке разбрасывание осуществляется один раз во избежание накопления в почве органических веществ и тяжелых металлов. Этот метод рекомендуется для удаления отработанных буровых растворов с малым содержанием углеводородов и солей.

Устройство полей орошения отличается от предыдущего метода только тем, что на одном и том же участке разбрасывание с последующими перепашками производится многократно. В засушливое время производится полив.

Участки для разбрасывания и устройства полей орошения выбираются таким образом, чтобы исключить возможность распространения загрязнения за пределы отведенного для этой цели участка.

Компостирование нефтесодержащих отходов может применяться при относительно высоких концентрациях углеводородов и других биоразлагаемых веществ. Подлежащие уничтожению отходы для увеличения пористости перемешивают с наполнителем — древесной щепой, соломой и т.п.,— после чего их перемешивают с почвой, содержащей микроорганизмы. В смесь могут быть добавлены сельскохозяйственные отходы для повышения водоудерживающей способности, а также минеральные удобрения и микроэлементы. Смесь укладывают на лотки или в поддоны с сетчатым дном или в кучи высотой до 1 м, периодически перемешивают и увлажняют. При использовании этого метода содержание углеводородов в компосте может быть понижено с 10% до долей процента за 4—8 недель.

Для предварительной очистки от нефти больших количеств собранного грунта и нефтешламов широко используются разного рода центробежные аппараты, позволяющие выделить из грунта и шламов товарную нефть и достичь остаточного содержания нефти в грунтах не более 8%.

К сожалению, при масштабах разливов нефти, допущенных в Западной Сибири, эти методы в большинстве случаев практически неприменимы из-за высокой стоимости работ или применимы в весьма ограниченных объемах. Тем не менее, подобные методы могут оказаться полезными при ликвидации шламовых амбаров, загрязненных нефтью, и небольших участков с высокой интенсивностью загрязнения.

Микробиологическая очистка земель. При значительных площадях загрязнения земель и водоемов наиболее приемлемым методом очистки земель и вод является повсеместно применяемый в мировой и отечественной практике метод, использующий микробиологическое разложение нефти на месте разлива с последующим са- мозарастанием очищенных земель или высевом многолетних трав.

Этот метод достаточно прост в реализации и заключается в проведении на загрязненных землях ряда агротехнических мероприятий, направленных на активизацию почвенных нефтеокисляющих микроорганизмов, обладающих способностью использовать в качестве единственного источника питания углеводороды нефти, в конечном счете, окисляя их до СОг и воды. Первичное окисление нефти до органических кислот, спиртов, кетонов и альдегидов обеспечивается именно углеводоро- докисляющими микроорганизмами, достаточно полно описанными в обзоре [15]. На последующих этапах разрушения продуктов первичного окисления нефти в процесс вовлекаются и другие физиологические группы почвенных микроорганизмов, простейшие и водоросли, обычно обитающие в почве и водоемах. Учитывая сложный состав нефтей и неодинаковую способность разных групп углеводородокисляющих микроорганизмов к усвоению различных компонентов нефти, необходимо обеспечить воздействие на нефть возможно более сложного сообщества микроорганизмов.

К счастью, в составе микробных сообществ, сложившихся в почвах, и поверхностных водах на территориях месторождений нефти, присутствуют все необходимые микроорганизмы. Особенно активны эти сообщества на участках, постоянно, но не обильно загрязняемых нефтепродуктами, и на старых, но не особенно массированных разливах нефти. На Самотлорском месторождении нами было обследовано более 20 участков, загрязненных нефтью. На всех участках были обнаружены весьма активные многовидовые сообщества нефтеокисляющих микроорганизмов.

Исключение могут составлять только участки, никогда ранее не подвергавшиеся загрязнению нефтью и нефтепродуктами. Но и в этих случаях в пробах почвы и воды обнаруживались до 103 кл/г углеводородокисляющих бактерий. Правда, их видовой состав не отличался разнообразием и был представлен, в основном, представителями рода Pseudomonas. Соответственно, их активность оказалась сравнительно невысокой. Однако, и в этом случае при создании благоприятных условий со временем развиваются весьма активные микробиоценозы. Таким образом, в подавляющем большинстве случаев, характерных для западносибирских месторождений нефти, необходимые для быстрого разрушения разлитой нефти микроорганизмы уже содержатся в почве и водоемах. Их численность, может быть, и невысока, но в результате проведенных рекультивационных мероприятий — внесения удобрений и т.д. — в течение нескольких суток она возрастает от единичных клеток в грамме почвы или воды до величин порядка 1012 — 1015 кл/г. И только в отдельных случаях, в условиях короткого сибирского лета для ускорения процесса очищения почвы от нефти оправдано внесение на рекультивируемые участки бактерийных препаратов на основе культур высокоактивных штаммов углеводородокисляющих микроорганизмов, выпускаемых рядом предприятий.

Из отечественных широкую известность приобрели препараты «Путидойл» на основе выделенных из загрязненных нефтью грунтов Самотлорского месторождения бактерий Pseudomonas putida, «Деваройл» на основе дрожжей Candida, «Биоприн», а также препараты группы «Биодеструктор»: «Лидер» на основе Rhodococcus sp. S-1213 и «Валентис» на основе Acinetobacter valentis, рекомендуемые для очистки почвы и воды от нефти, парафинов Cg—С40, дизельного топлива, рафинатов, масел, ароматических углеводородов (фенол, бензол, толуол), котельного топлива. В последние годы ассортимент микробиологических препаратов, разрешенных к применению Госсанэпиднадзором и предлагаемых к продаже, увеличивается.

Весьма перспективным направлением является разработка микробных препаратов углеводородокисляющих микроорганизмов, иммобилизованных на твердых субстратах, способных сорбировать нефть.

При необходимости быстрой ликвидации загрязнения нефтью ограниченных участков земель целесообразно применение ферментных препаратов, не содержащих живых клеток, но сохранивших неповрежденные фрагменты ферментных систем углеводородокисляющих микроорганизмов, быстро разрушающих углеводороды нефти. Как правило, эти препараты содержат многочисленные добавки — витамины, микроэлементы и т.д., стимулирующие ускоренное развитие почвенной микрофлоры, разрушающей продукты первичного окисления нефтепродуктов ферментными добавками. В качестве примеров таких препаратов может быть назван предлагаемый НПФ «МИТЭК» (г.Уфа) отечественный препарат «Белвитамил» на основе активного ила биохимического производства, содержащий ферментные системы дрожжей Candida, витамины и микроэлементы, необходимые для ускорения развития аборигенной микрофлоры. Разработаны, но пока не нашли широкого применения отечественные препараты, содержащие ферментные системы углеводородокисляющих бактерий, иммобилизованные на поверхности твердого сорбента. К сожалению, эти препараты весьма дороги.

В любом случае, при использовании аборигенных микробных сообществ или при внесении микробных препаратов, необходимо создать в очищаемой среде оптимальные условия для развития и активной жизнедеятельности углеводородокисляющей микрофлоры: поступление кислорода к зоне жизнедеятельности микроорганизмов; наличие в очищаемой среде легко усваиваемых водорастворимых минеральных веществ, в первую очередь, — калия, азота и фосфора; поддержание кислотности и влажности очищаемой среды в пределах, обеспечивающих жизнедеятельность микроорганизмов и достаточную активность ферментных систем.

На обеспечение этих условий и должны быть направлены основные усилия при проведении рекультивацион- ных работ. И, как правило, для этого достаточно проведения обычных для сельскохозяйственной практики, агрохимических и агротехнических мероприятий.

При выборе конкретных форм минеральных азотных удобрений следует учитывать, что микроорганизмы, содержащиеся в препаратах серии «Биодеструктор», при внесении нитратного азота резко снижают углеводородо- кисляющую активность. Учитывая, что микроорганизмы родов Acinetobacter и Rhodococcus широко представлены в естественных микробных сообществах и играют значительную роль в процессах очищения почв от нефтепродуктов в природных условиях, к вопросу о применении нитратных форм азотных удобрений следует подходить с осторожностью. Предпочтение целесообразно отдавать безнитратным формам минеральных удобрений.

Реальные дозировки удобрений (в пересчете на К, Р и N), рекомендуемые нами для внесения на рекультивируемые участки при их первичной обработке, составляют: азота от 14 до 35 кг/га, калия от 11 до 27 кг/га и фосфора от 5 до 12 кг/га на каждые 5 см глубины перепашки грунта. При внесении удобрений в залитые водой углубления, амбары и загрязненные нефтью озерки, на каждые 1000 м3 воды целесообразно внесение не менее 28 кг азота, 22 кг калия и 10 кг фосфора. Эти дозировки обеспечивают концентрации К, N и Р в почвенном растворе в 5 раз ниже применяемых при составлении минеральных питательных сред для выделения и накопления углеводородокисляющих бактерий (УОБ) [16—19]. Но, учитывая, что высокие темпы развития УОБ обеспечиваются и при десятикратном разбавлении питательных сред, применение таких дозировок вполне оправдано. Как показывает наша практика, лучшие результаты достигаются при внесении расчетного количества минеральных удобрений дробными дозами, в 2—3 приема с интервалами 3—7 суток. При первом внесении доза удобрений должна составлять 10—20% от расчетного количества. Этим достигается мягкая адаптация аборигенной почвенной микрофлоры к повышению содержания в среде усваиваемых минеральных веществ.

Значения pH почв и воды, оптимальные для развития углеводородокисляющих микроорганизмов, лежат в пределах 6,5—7,5 [15]. В реальных условиях нефтеокисляющие микроорганизмы хорошо развиваются и сохраняют достаточную активность при снижении значений pH среды до 5,0. Некоторые виды нефтеокисляющих микроорганизмов (например, дрожжи) устойчивы к снижению pH до 3,5 и ниже. Но скорость и полнота использования микрофлорой углеводородов нефти при этом резко снижаются.

При микробиологическом окислении нефти в условиях дефицита кислорода происходит накопление органических кислот, сопровождающееся снижением pH.

Необходим предварительный контроль кислотности грунтов и вод на каждом участке, подлежащем рекультивации. При pH почвенной воды или грунта ниже 5,0— рекомендуется вносить раскислители — известняковую или доломитовую муку, либо мел. Нормы внесения раскислителей принимают в соответствии с обычной агротехнической практикой [20, 21]. Передозировка карбонатных материалов не приводит к нежелательным последствиям. А избыточный, на момент внесения, раскис- литель расходуется по мере распада нефти и образования карбоновых кислот, предотвращая последующее закисление почвы. Образующиеся при этом кальциевые соли карбоновых кислот усваиваются почвенными микроорганизмами легче, чем свободные кислоты. Следует учитывать и то, что при поверхностном загрязнении нефтью переувлажненных грунтов цеолит, доломитовая и из-

вестняковая мука хорошо сорбируют разлитую нефть и одновременно играют роль коллекторов, на поверхности которых микроорганизмы развиваются более интенсивно.

Совершенно необходимым условием для обеспечения процесса микробиологического очищения почв и воды от нефти и нефтепродуктов является аэрация зон активной деятельности микроорганизмов любым доступным способом.

В природных условиях зона, в которой протекают процессы ускоренной биодеградации нефти, ограничивается поверхностным слоем грунта, доступным для проникновения кислорода и аэрированных поверхностных вод. Наличие сплошных слоев нефти на поверхности грунта и воды сильно ограничивает зону аэрации и тем сильнее, чем больше толщина слоя, вязкость и степень выветренности нефти, разлитой на поверхности загрязненного участка. В случае наличия на поверхности сплошных слоев или корки нефти толщиной более 2—3 мм она с более-менее заметной скоростью разрушается только в поверхностном слое и лишь при его периодическом увлажнении атмосферными осадками. Именно поэтому предварительный сбор нефти с поверхности разлива может стать решающим фактором, определяющим эффективность всего комплекса рекультивационных работ. А в случае проникновения разлитой нефти в толщу грунта следует принимать дополнительные меры для обеспечения аэрирования всей его толщи.

Наиболее распространенным способом аэрации загрязненного нефтью грунта является его рыхление фрезерованием или перепашка на всю глубину проникновения нефти. При этом достигается эффект снижения концентрации нефти в грунте за счет смешения нефтезагрязненного грунта с незагрязненным или менее загрязненным из нижележащих его слоев [22].

При поверхностном загрязнении нефтью переувлажненных грунтов или водной поверхности болот, мочажин, маленьких болотных озерков и т.п., для ускорения разрушения нефти может быть использован прием орошения поверхности рекультивируемого участка аэрированной водой. В этом случае, на периферии участка в направлении естественного стока выбирают углубление в грунте или вырывают экскаватором небольшой котлован, глубиной 1,5—2 м, затапливаемый грунтовой водой. При необходимости устраивают неглубокие коллекторные канавки (борозды), обеспечивающие сток воды и нефти с поверхности участка в эту выемку. На участке устанавливают форсуночные или струйные садовые разбрызгиватели воды, применяемые для поливки парковых газонов. Разбрызгиватели располагают таким образом, чтобы вся территория рекультивируемого участка орошалась водой, и соединяют их системой гибких шлангов из маслостойкого материала с водяным насосом, отбирающим воду из выемки. Устроенная таким образом система обеспечивает непрерывное или периодическое орошение всей поверхности участка аэрированной водой, что значительно ускоряет микробиологическое окисление нефти. Минеральные удобрения в этом случае можно не распределять по всему участку, а внести в это углубление, что значительно упрощает работу и обеспечивает равномерное распределение удобрений.

Плотный слой выветренной нефти можно разрушить накануне проведения рекультивационных работ траками гусениц болотоходов или (после промерзания грунта) гусеницами тяжелого трактора. На небольших участках корочки нефти можно разрушить вручную, с использованием мотоблоков или ручного инвентаря — грабель, мотыг и т.п.

На небольших замкнутых водоемах, покрытых слоем нефти, аэрация воды может быть обеспечена установкой в водоеме плавающих аэраторов типа АП-24, выпускаемых фирмой «Новые технологии» (г.Нижневартовск), представляющих собой небольшие по габаритам турбинные мешалки с электроприводом, смонтированные на поплавках, обеспечивающие захват атмосферного воздуха и интенсивное его диспергирование в воде водоема.

В случаях обнаружения нефти в донных отложениях, кроме принудительной аэрации воды, рекомендуется периодически производить рыхление донных отложений в водоеме путем многократного протаскивания по дну водоема с помощью канатов обычных зубчатых борон.

Фиторекультивация. После снижения содержания нефтепродуктов в почве на рекультивируемых участках до значений, обеспечивающих возможность роста и размножения наиболее нефтестойких зеленых растений, приступают к фиторекультивации загрязненных земель.

В естественных условиях, после предварительного сбора разлитой нефти при низкой степени остаточного загрязнения грунтов, самопроизвольное заселение пионерных видов растений, наиболее устойчивых к нефтяному загрязнению, начинается уже к окончанию первого года рекультивации, даже без предварительного рыхления почв. При средней степени загрязнения зарастание участка травами происходит обычно в течение 3-7 лет. А весь процесс самоочищения почвы с возобновлением естественных растительных сообществ продолжается в течение 80—100 лет [23].

Для ускорения процесса развития травостоя и, соответственно, сдачи рекультивированного участка заказчику, прибегают к посеву трав. На сильнозагрязненных участках, с полностью погибшей к началу рекультиваци- онных работ растительностью, посев трав на 3—5 лет сокращает сроки заселения участков зелеными растениями.

Разумеется, видовой состав травосмесей будет сильно отличаться от видового состава растительности на соседних участках. Но в дальнейшем по мере самоочищения почвы, травосмесь будет замещаться сообществом растений, характерных для данного ландшафта. Однако, этот процесс длителен и не всегда возможен, поскольку изменения структуры и состава почвы, происходящие при рекультивации сильно загрязненных почв, могут носить необратимый характер.

Для фиторекультивации нефтезагрязненных земель используют наиболее доступные семена однолетних и многолетних трав, предпочтительно злаков, обладающих развитой корневой системой и повышенной устойчивостью к нефтяному загрязнению почвы. При этом следует предпочесть семена трав, характерных для местных болотных и лесоболотных экосистем и хорошо адаптированных к местным почвенно-климатическим условиям. Выбор семян конкретных растений зависит от особенностей ландшафта рекультивируемых земель [22, 24]. Обычно используются смеси семян, содержащие не менее 3 видов трав. На суходольных участках в состав семенной смеси обязательно включается клевер ползучий, а на обводненных болотах — рогоз широколистный. Семена этих трав (кроме рогоза и вейника Лангсдорфа) производятся рядом семеноводческих хозяйств. Заготовку семян рогоза придется вести самостоятельно. Правда, в условиях лесоболотных комплексов Западной Сибири это не составляет проблемы.

Следует отметить, что нередки случаи, когда даже после максимально полной ликвидации нефтяного загрязнения, восстановление травяного покрова на участке невозможно из-за засоления земель разливающейся вместе с нефтью пластовой высокоминерализованной вод4й (обычно хлоридно-натриевого типа с общей минерализацией 13—25 г/л). При содержании в почве хлоридов более 0,2% наблюдается выраженное угнетение роста большинства трав. При 0,3—0,35% — общепроективное покрытие травостоем снижается в 1,5—2 раза. При повышении содержания хлоридов в почвенном растворе до 1% и более развитие большинства видов трав невозможно. В таких случаях участок должен быть мелиорирован и многократно промыт проточной водой до снижения концентрации солей в почве. Пример технологии рассоления таких земель приведен в [25]. Выполнение специальных мероприятий по мелиорации и рассолению земель необходимо выполнять только после устранения нефтяного загрязнения участка.

После посева на участке должны вестись длительные наблюдения за ростом трав. По достижении устойчивого (в течение года) нормативного общепроективного покрытия участка, его рекультивация считается завершенной, а участок может быть представлен к сдаче. Дальнейшее самоочищение почвы на участке будет происходить самопроизвольно на протяжении многих лет. При этом рекультивированный участок должен быть обозначен вешками и аншлагами, запрещающими сбор ягод, грибов, сенокошение, выращивание продуктов питания и корма для животных. Снятие этих ограничений возможно только после проведения специальных исследований, подтверждающих экологическую безопасность почв и растительности на участке, что и является достижением конечной цели рекультивации загрязненных нефтью земель.