2. Характеристика объектов и методов исследования…………………………………………………21 2.1 Объекты исследования …………………………………………………………………………………………….21
2.1.1 Краткая характеристика природных условий района исследования ……………………….21
2.1.2 Краткая характеристика почв ……………………………………………………………………………..25
2.1.3 Краткая характеристика кварцевого песка …………………………………………………………..26
2.1.4 Краткая характеристика кембрийской глины ……………………………………………………….27
2.1.5 Краткая характеристика дизельного топлива ……………………………………………………….27
2.1.6 Краткая характеристика мазута…………………………………………………………………………..29 2.2 Методы исследования ……………………………………………………………………………………………..31 Глава 3. Результаты исследований и их обсуждение ……………………………………………………………36 3.1. Сравнительная характеристика физических и физико-химических свойств исследуемых почв, кварцевого песка и кембрийской глины …………………………………………………………………36 3.2. Оценка степени загрязнения нефтепродуктами исследуемых почв, кварцевого песка и кембрийской глины ………………………………………………………………………………………………………40 3.3 Влияние загрязнения дизельным топливом и мазутом на гидрофизические свойства исследуемых почв, кварцевого песка и кембрийской глины ……………………………………………..42
Характеристика продуктивного пласта АС11 в Фроловской нефтегазоносной области
... 1. Геологическое строение Северо-Салымского месторождения, .1 Экономико-географическая характеристика района В административном отношении Северо-Салымское месторождение относится к Нефтеюганскому району Ханты- ... возвышенных участках, торфянисто-подзолисто-иловые и торфяные почвы на заболоченных участках местности. Северо-Салымское месторождение расположено в зоне вечной мерзлоты. Мерзлоты относятся ...
3.3.1 Влияние загрязнения дизельным топливом и мазутом на максимальную
гигроскопичность исследуемых почв, кварцевого песка и кембрийской глины ………………42
3.3.2 Влияние загрязнения дизельным топливом и мазутом на влажность завядания
исследуемых почв, кварцевого песка и кембрийской глины ………………………………………….47
3.3.3 Влияние загрязнения дизельным топливом и мазутом на влажность разрыва
капиллярных связей исследуемых почв, кварцевого песка и кембрийской глины ……………48
3.3.4 Влияние загрязнения дизельным топливом и мазутом на наименьшую влагоёмкость
исследуемых почв, кварцевого песка и кембрийской глины ………………………………………….50
3.3.5 Влияние загрязнения дизельным топливом и мазутом на диапазон активной влаги
исследуемых почв, кварцевого песка и кембрийской глины ………………………………………….52
3.3.6 Влияние загрязнения дизельным топливом и мазутом на капиллярную влагоёмкость
исследуемых почв. Кварцевого песка и кембрийской глины …………………………………………54
3.3.7 Влияние загрязнения дизельным топливом и мазутом на полную влагоёмкость
исследуемых почв, кварцевого песка и кембрийской глины ………………………………………….57
3.3.8 Влияние загрязнения дизельным топливом и мазутом на воздухоносную порозность
исследуемых почв, кварцевого песка и кембрийской глины ………………………………………….59
3.3.9 Влияние загрязнения дизельным топливом и мазутом на смачиваемость исследуемых
почв, кварцевого песка и кембрийской глины ……………………………………………………………..61 3.4. Влияние загрязнения дизельным топливом и мазутом на сорбционный гистерезис и водоудерживающую способность исследуемых почв, кварцевого песка и кембрийской глины …………………………………………………………………………………………………………………………………..62 3.5 Влияние дизельного топлива и мазута на гидрофизические свойства исследуемых почв, кварцевого песка и кембрийской глины в диапазоне влажности от адсорбционной влагоёмкости до максимальной гигроскопичности ………………………………………………………….67
Почва и ее структура
... суглинками. Преобладание песка делает почву более рассыпчатой и лёгкой для обработки; с другой стороны, в ней хуже удерживается вода и питательные вещества. Глинистые почвы плохо дренируются, ... Они накапливались в черноземах весь послеледниковый период. Эти гуматы способны растворяться под влиянием ферментов корневой системы растений, но в количествах, удовлетворяющих только их потребность. ...
3.5.1 Влияние загрязнения дизельным топливом и мазутом на влажность монослоя
исследуемых почв, кварцевого песка и кембрийской глины ………………………………………….67
3.5.2 Влияние загрязнения дизельным топливом и мазутом на общую удельную
поверхность исследуемых почв, кварцевого песка и кембрийской глины……………………….70
3.5.3 Влияние загрязнения дизельным топливом и мазутом на внешнюю удельную
поверхность исследуемых почв, кварцевого песка и кембрийской глины……………………….72
3.5.4 Влияние загрязнения дизельным топливом и мазутом на внутреннюю удельную
поверхность исследуемых почв, кварцевого песка и кембрийской глины……………………….74 3.7. Статистическая обработка данных. Шкала желательности …………………………………………83 Заключение …………………………………………………………………………………………………………………….87 Выводы …………………………………………………………………………………………………………………………..90 Список литературы ………………………………………………………………………………………………………….92 Приложения ……………………………………………………………………………………………………………………97 Приложение 1 ………………………………………………………………………………………………………………97 Приложение 2 ………………………………………………………………………………………………………………98 Приложение 3 ………………………………………………………………………………………………………………99
Октановое И Цетановое число бензина в дизельном топливе
... ТОПЛИВО Детонация моторных топлив и октановое число Стук в цилиндрах, воспроизводимый при эксплуатации автомобильного двигателя, работающего в напряженном режиме, является признаком того, что нарушены условия эффективной работы на данном бензине. ...
Введение
История применения нефти человеком уходит корнями в глубокое прошлое: шумеры использовали природный битум в строительстве, древние египтяне – для создания бальзамирующих смесей, нефть входила в составы греческого огня и множества лекарств того времени. Спустя тысячи лет её значимость для человечества значительно возросла.
На сегодняшний день нефть, безусловно, является одним из наиболее востребованных энергоресурсов на планете, существенной составляющей экономики не только отдельных стран, но и мира в целом. Российская Федерация – не исключение. Располагая значительными запасами, страна ведёт интенсивную добычу, а также переработку и транспортировку нефти и нефтепродуктов. К сожалению, ввиду определённых обстоятельств, на данных этапах нередко происходят аварии, разливы, выбросы жидких углеводородов, что приводит к неизбежному загрязнению природных сред, в том числе почвы.
Загрязнение нефтью считается одним из самых тяжёлых и масштабных, общемировой экологической проблемой ввиду его специфичности. Интоксикация почвы даже сравнительно небольшими дозами приводит к значительным изменениям практически всех свойств: химических, физических, биологических, морфологических, нарушает структуру почвенного покрова, угнетает жизнедеятельность почвенных организмов и растений.
Идея изучения последствий загрязнения нефтью и нефтепродуктами природных сред не нова, однако, по-прежнему представляет интерес для учёных самых разных областей естественных наук. В том числе и почвоведения.
Тем не менее, большая часть исследований достаточно узконаправлены. Как правило, российскими почвоведами изучаются либо почвы севера и Западной Сибири, где расположено значительное количество используемых месторождений (например, почвы республики Коми), либо чернозёмы, как почвы, наиболее ценные. Остальным уделяется сравнительно меньше внимания. Из поллютантов, как правило, исследуется влияние сырой нефти, реже – непосредственно нефтепродуктов. Также, основной интерес представляют изменения химических и биологических показателей, как компонентов аспектов экологической оценки и оценки плодородия почв. Физические свойства становятся самостоятельными объектами исследования уже в меньшей степени и обычно рассматриваются лишь как дополнительные характеристики.
Физические свойства почв представляют собой совокупность характеристик, оказывающих прямое влияние на протекающие в почве процессы и, в том числе, почвенное плодородие. Негативное воздействие нефтяного загрязнения приводит к существенному изменению показателей, важных для механической обработки, различных агротехнических мероприятий и нормальной жизнедеятельности и функционирования почвенных организмов и растений.
Курсовая работа введение экологические последствия добычи нефти газа
... оценка экологических проблем нефтедобывающей промышленности Для реализации поставленной цели необходимо решение следующих задач: дать характеристику технологического процесса нефтедобывающей промышленности; выявить приоритетные источники загрязнения окружающей среды при добыче нефти; ...
Цель работы состоит в изучении изменения физических свойств почв разного гранулометрического состава под влиянием загрязнения нефтепродуктами.
Для достижения поставленной цели в данной работе были определены следующие задачи: Изучить влияние загрязнения дизельным топливом и мазутом на физические
свойства почв разного гранулометрического состава в условиях лабораторного
эксперимента; Исследовать изменение физических свойств кварцевого песка и кембрийской
глины при загрязнении дизельным топливом и мазутом в условиях модельного
эксперимента при возрастающих дозах поллютантов; Изучить влияние нефтепродуктов на изменение гидрофизических свойств
исследуемых объектов в диапазоне влажности от адсорбционной влагоемкости
до максимальной гигроскопичности; Выявить изменения физических свойств исследуемых объектов при загрязнении
разными видами нефтепродуктов.
Актуальность работы. Нефтепродукты – группа достаточно распространённых и опасных поллютантов, которые приводят к резкому ухудшению всех свойств почв, что, в свою очередь, лишает их возможности поддерживать важнейшие экологические функции, изменяет условия жизни почвообитающих организмов и растений, негативно влияет на почвенное плодородие.
Сейчас дизельное топливо находит широкое применение в эксплуатации грузового, водного и железнодорожного транспорта. Более того именно этот вид топлива используется практически всей агротехникой. Следовательно, вероятность загрязнения почв данным видом нефтепродуктов довольно высока.
Мазут до сих пор используется в промышленности и энергетике в качестве топлива. Радиус его применения несколько уже, чем у дизельного топлива, но возможность загрязнения также существует.
Следовательно, изучение влияния загрязнения дизельным топливом и мазутом на физические свойства почв разного гранулометрического состава является актуальным.
Научная новизна работы определяется тем, что ранее исследованию гидрофизических свойств почв, загрязнённых нефтепродуктами, в диапазоне влажности от адсорбционной влагоёмкости до максимальной гигроскопичности практически не уделялось внимания.
Материалы и источники. Для выполнения данной работы были заложены два почвенных разреза, из которых по горизонтам отбирались образцы для последующих лабораторных исследований. В качестве поллютантов использовались дизельное топливо Евро-5 сорт Е вид III с завода ООО «КИНЕФ» и топочный мазут М-100 IV вида, малозольный, с температурой застывания 25°С. Работа проводилась в лабораториях кафедры почвоведения и экологии почв СПбГУ.
В данное время изучением влияния нефтепродуктов на физические параметры почв интересуется не слишком много специалистов. Основное внимание сосредоточено на исследовании биологических показателей загрязнённых почв и методах их рекультивации. Источниками информации по вопросам, касающимся данной темы, были статьи специализированных журналов, учебники, монографии, тезисы и доклады научных конференций и уже опубликованные диссертации.
Также следует отметить, что данная работа является продолжением и расширением исследований, начатых в бакалавриате и опубликованных в выпускной квалификационной работе «Влияние загрязнения дизельным топливом на физические свойства почв» (Шамарина, 2016).
Технология добычи нефти
... с учетом объемов добычи нефти и газа, их физико-химических и реологических свойств в соответствии с этими характеристиками определялось число ступеней сепарации газа, отделения и утилизации основного объема ... оценкам 75% углеводородных загрязнений приходится на атмосферу, 20% на поверхностные и подземные воды и 5% накапливается в почвах. В свою очередь выбросы и сбросы углеводородных загрязнителей ...
Личный вклад автора заключается в выборе, морфогенетической и аналитической характеристике объектов исследования, заложении лабораторного эксперимента, изучении физических параметров нативных и загрязненных дизельным топливом и мазутом почв и модельных объектов, анализе и обработке полученных результатов, а также написании и оформлении данной выпускной квалификационной работы.
Глава 1. Современные представления о загрязнении почв нефтью и
нефтепродуктами
На сегодняшний день нефть и нефтепродукты являются неотъемлемой частью человеческой цивилизации, мощным и прочным звеном в цепи, скрепляющей экономику, промышленность, топливно-энергетический комплекс. Оказывая колоссальное влияние на человечество, данная сфера является перманентным источником угроз, которые могут иметь катастрофические последствия, одним из факторов глобального загрязнения окружающей среды, одной из важнейших социально-экологических проблем современности.
Добыча нефти в районах богатых месторождений ведётся весьма интенсивно, объёмы использования с каждым годом неуклонно возрастают. Предполагается, что уже к 2020 году человечество будет потреблять около 110 млн. баррелей в сутки (Абросимов, 2002).
Естественно, расти будут и масштабы экологических проблем, будут увеличиваться гектары загрязнённых и отчуждённых территорий.
Первоочередным источником нефетезагрязнений есть и будут результаты антропогенной деятельности, связанной с добычей, переработкой и транспортировкой углеводородного сырья: разливы сырой нефти при её добыче, утечки буровых растворов и пластовых вод, выбросы при авариях нефтепроводов и транспорта или в результате повреждений, коррозии и изношенности объектов.
Наиболее устойчивыми к загрязнениям подобного вида в природе являются почвы, обладающие геохимическими барьерами (торфяные, глеевые или иллювиальные глееватые горизонты), препятствующие распространению поллютантов (Касаткина, Федорова, 2005).
Однако большая часть почв оказываются беззащитны перед нефтезагрязнениями, а естественные процессы самоочищения и самовосстановления протекают слишком медленно, на долгие годы лишая почву возможности нормального функционирования.
Загрязнение почв нефтью и нефтепродуктами носит крайне сложный и тяжёлый характер, являясь не только потенциальной экологической катастрофой для окружающей среды и в том числе для здоровья человека, но и серьёзной финансовой проблемой: в рекультивацию и восстановление земель вкладываются значительные средства, но положительный результат при этом не всегда достигается. Внимание учёных всего мира приковано к данной теме и сейчас всестороннее её изучение является как никогда актуальным.
1.1. Общая характеристика нефти и нефтепродуктов
Нефть представляет собой природный горючий материал, густую маслянистую жидкость со специфическим запахом, от жёлтого и зеленоватого (реже – бесцветного) до тёмно-коричневого, почти чёрного цвета. Она является многокомпонентной системой, содержащей колоссальное количество веществ, следовательно, фракционный состав, химические и физические свойства нефти в зависимости от месторождения различаются. Наиболее постоянным в этом плане остаётся элементарный состав.
Значительную долю в составе нефти занимают биогенные элементы: углерод (83–87%), водород (11,5–14%), кислород и азот (их общее количество обычно не превышает 2–3%), сера (до 7–8%).
Нефть: происхождение, состав, методы и способы переработки
... глубине 2000-3000 метров. Нефть Западно-Сибирского нефтегазоносного бассейна характеризуется низким содержанием серы (до 1,1%), и парафина (менее 0,5%), содержание бензиновых фракций высокое (40-60%), повышенное ... количество летучих веществ. Сейчас на территории Западной Сибири добывается 70% российской нефти. Основной ее объем ...
Как правило, эти элементы входят в состав высокомолекулярных органических соединений. В незначительных концентрациях в нефти присутствуют Si, Al, Fe, Ca, Mg, Ni, Mn, Cr, Co и др. Общее количество данных микроэлементов обычно не превышает десятых долей процентов (Эрих и др., 1977).
Нефть – сложный набор высокомолекулярных органических соединений всевозможного строения, от С4 до С60 и гетероциклических компонентов, общее количество соединений может превышать 1000 единиц. Средняя молекулярная масса нефти, как правило, составляет 220–300 углеродных единиц, в редких исключениях – 450–470 (Абросимов, 2002).
Основную часть соединений нефти представляют три группы углеводородов: парафиновые (метановые) углеводороды или алканы, нафтеновые (полиметиленовые) углеводороды или цикланы, ароматические углеводороды или арены. Среди кислородных соединений обнаруживаются фенолы, нафтеновые кислоты и смолистые вещества, которые включают в себя практически весь (больше 90%) кислород и большую часть азота. Сернистые компоненты образуют неорганические (элементная сера и сероводород) и органические (меркаптаны, сульфиды, дисульфиды, тиофаны) формы. Велика в нефти концентрация смолисто-асфальтеновых веществ – смол, асфальтенов, карбенов, асфальтогеновых кислот и их ангидритов (Еременко, 1968).
Нефть легче воды. Более того, она гидрофобна.
Составом нефти так же определяются её физические свойства. Например, плотность напрямую зависит от содержания смолисто-асфальтеновых соединений, фракционного состава и наличия растворённого газа. Как правило, она колеблется в пределах от 0,65 до 1,05 г/см3, чаще всего – 0,82–0,95 г/см3 (Абросимов, 2002).
По плотности нефти условно выделяют три группы: лёгкая (менее 0,828 г/см3), в которой содержание бензиновых фракций превалирует над концентрацией смол и серы, утяжеленная или средняя (0,828–0,884г/см3) и тяжелая (более 0,884 г/см3), включающая большое количество смол (Химия нефти и газа, 1995).
Вязкость нефти зависит от ароматических или нафтеновых циклов: чем их больше, тем вязкость выше. И наоборот, вязкость снижается при увеличении лёгких фракций или растворённых газов. В среднем, вязкость нефти оказывается в пределах 40–60 мм2/с (Эрих и др., 1977).
Удельная теплота сгорания нефти – 42–43,7 МДж/кг, удельная теплоёмкость – 1,7–2,1 кДж/(кг∙К).
Температура начала кипения, как правило, выше 28°С. Температура застывания находится в интервале от –60°С до +30°С и напрямую зависит от содержания парафинов.
Нефть растворяется в органических растворителях, в нормальных условиях может образовывать эмульсии с водой.
Одной из важнейших характеристик качества нефти является фракционный состав – содержание лёгких, средних и тяжёлых дистиллятов. Он определяется при лабораторной перегонке, основанной на различной температуре выкипания разных фракций (Химия нефти и газа, 1995).
Фракции, выкипающие до 350°С, называются светлыми дистиллятами. К ним относится петролейный эфир (выкипает до 60°С), лигроиновая фракция (120–140°С), бензиновая фракция (до 180–200°С), керосиновая фракция (120–315°С), дизельная фракция (220–350°С).
При температуре 300-400°С отгоняется газойлевая фракция, выше 400°С – смазочные масла, выше 500°С – гудрон.
Очистка нефтезагрязненных почв
... физико-химические методы очистки почв от нефтяных загрязнений дорогостоящи и эффективны только при определенном уровне загрязнения (как правило, не менее 1% нефти в почве), часто связаны с дополнительным внесением загрязнения и не обеспечивают ...
В основном нефть содержит 15–25% бензиновых фракций, 35–45% керосиновых и дизельных фракций. Однако, встречаются месторождения как крайне лёгкой, так и сверхтяжёлой нефти.
В 1967 году в России была принята технологическая классификация нефти. Согласно этой классификации нефть делят по следующим признакам: класс (по содержанию серы), тип (по выходу фракций до 350°С), группа (по потенциальному содержанию базовых масел), подгруппа (по индексу вязкости базовых масел), вид (по содержанию парафинов) (Химия нефти и газа, 1995; Абросимов, 2002).
Дизельное топливо – это вязкая горючая жидкость, состоящая из средних дистиллятных фракций нефти (обычно керосиновой и газойлевой), представляющая собой смесь парафиновых, нафтеновых и ароматических углеводородов, используемая в двигателях внутреннего сгорания железнодорожного и водного транспорта, грузового автотранспорта, а также сельскохозяйственной техники.
Согласно российскому стандарту ГОСТ 305-2013 (Топливо дизельное. Технические условия) дизельное топливо выпускается под тремя марками: Л – летнее, используемое при температуре выше 0°С, З – зимнее (до –30°С), А – арктическое (до –50°С).
Каждая из марок в свою очередь разделяется на несколько видов по содержанию серы: минимально 10 мг/кг (вид III или ДТ-5); максимально 350 мг/кг (вид I или ДТ-3).
Для каждого сорта, вида и их совокупности ГОСТом предусмотрены индивидуальные параметры. Более поздний стандарт, предназначенный для конкретного топлива ЕВРО (ГОСТ 32511-2013 Топливо дизельное ЕВРО. Технические условия), предусматривает более подробное дробление марок на сорта и классы в зависимости от их характеристик: предельная температура, фильтруемость, плотность, кинематическая вязкость, цетановое число и т.д.
Важнейшими эксплуатационными характеристиками дизельного топлива являются воспламеняемость, цетановое число, фракционный состав, вязкость, коксуемость, температура вспышки, помутнение, застывание, содержание смолистых и коррозионно-активных соединений (Химия нефти и газа, 1995).
Воспламеняемость дизельного топлива определяет легкость пуска и характер работы двигателя. Она оценивается при помощи так называемых цетановых чисел – процентному содержанию хорошо воспламеняющегося цетана или гексадекана (С16Н34) в смеси с трудно воспламеняемым α-метилнафталином (С11Н10) в составе эталонного топлива. Наивысшим цетановым числом обладают алканы нормального строения – парафины, наименьшим – ароматические углеводороды (Химия нефти и газа, 1995).
Фракционный состав дизельного топлива обуславливает полноту сгорания и токсичность отработанных газов. Если в составе дизельного топлива доминируют легкие углеводороды, то для их сгорания необходимо меньше кислорода.
Вязкость и плотность регулируют подачу топлива, распыление в камере сгорания и работоспособность системы фильтрования.
Содержание сернистых соединений в дизельном топливе отвечает за смолообразование, нагарообразование, коррозию и износ двигателя, а также образование SO2, потенциального источника угрозы состоянию окружающей среды. Содержание серы в дизельном топливе обычно составляет – 0,08-0,1 % (Химия нефти и газа, 1995).
Согласно ГОСТу 305-82, содержание меркаптановой серы в не должно превышать 0,01 %, непредельных углеводородов – не более 3%, содержание металлов – 0,2-0,7·10-4 %.
Дизельное топливо находит широкое применение по всему миру и является потенциальным и опасным источником загрязнения окружающей среды. При его использовании атмосфера загрязняется оксидами серы, азота, твёрдыми ароматическими углеводородами. Ещё большую опасность создаёт тот факт, что дизельная сажа адсорбирует на поверхности полициклические ароматические углеводороды, в том числе бенз(а)пирен и нитрозамины (Абросимов, 2002).
Нефть как сырье для производства топлив и масел
Нефть как сырье для производства топлив и масел. Химический состав нефти. нефть – сложнейшая смесь углеводородов Главную часть нефтей составляют три группы углеводородов – алканы, нафтены и арены. Алканы (в литературе Вы можете также столкнуться с названиями предельные углеводороды, ...
Мазут или котельное топливо – это остаточные продукты прямой перегонки нефти, тяжёлых газойлей каталитического крекинга, коксования, отходов от переработки масел (экстрактов, асфальтенов), тяжёлых остатков нефтехимического синтеза. Как правило, выход мазута составляет около половины объёма исходной нефти. Представляет собой тёмно-коричневую жидкость с очень высокой вязкостью. Как правило, применяется для сжигания в паровых котлах тепловых электростанций, судовых установок, различных промышленных печей (Химия нефти и газа, 1995).
По составу мазут представляет собой смесь углеводородов, нефтяных смол, асфальтенов, карбенов, металлсодержащих соединений, иногда с примесями гудрона, битума и газойлевых фракций.
Мазут бывает двух сортов, в свою очередь подразделяющихся на марки: топочный (марки 40 и 100) и флотский (марки Ф5, Ф12).
По содержанию серы выделяют типы мазута: низкосернистый (до 0,5%), малосернистый (0,5%–1,0%), сернистый (1,0–2,0%) и высокосернистый (2,0 до 3,5%).
Оценку эксплуатационных свойств дают по следующим показателям: плотность, вязкость, температуры застывания и вспышки, зольность, содержание воды и серы. Вязкость отвечает за характер распыливания топлива и полноту его сгорания. От вязкости и температуры застывания зависит выбор способа подачи мазута к месту его сжигания и обеспечение слива топлива. Температура застывания, как правило, не выше 10–25°С (Химия нефти и газа, 1995).
Важным показателем является температура вспышки. Её необходимо учитывать при искусственном нагревании мазута (для увеличения вязкости), чтобы не допустить воспламенения выделяющегося пара и, как следствие, пожара.
Зольность мазута напрямую зависит от технологии его производства: обессоливания нефти при её подготовке, степени очистки остатков от катализаторов и реагентов. Она не должна превышать 0,05–0,14%.
По сравнению с другими топливами, мазут обладает рядом неоспоримых преимуществ: удобство хранения, высокая теплота сгорания, относительная дешевизна и т.п. Так что не удивительно то, что данный нефтепродукт не выходит из эксплуатации человеком.
1.2. Влияние нефтезагрязнения на экологическое состояние почв
Практически каждый разлив нефти или нефтепродуктов приводит к загрязнению территории и, как следствие, нанесению колоссального, часто необратимого ущерба почве и смежным с нею компонентам окружающей среды, то есть, всем природным комплексам.
При попадании в почву, нефть сорбируется не только верхними горизонтами, но и проникает в нижележащие слои, вплоть до породы или грунтовых вод под действием гравитационных сил. Распределение поллютанта по профилю напрямую зависит от гранулометрического состава: в лёгких почвах нефть забивает поры, изменяя водновоздушные свойства, способствует склеиванию агрегатов и уплотнению всей толщи (Гайнутдинов, Самосова, 1988; Бондалетова, 2002).
В тяжёлых – она распределяется довольно неравномерно, обычно по трещинам, ходам корней или линзам облегчённого материала (Солнцева, Садов, 1998).
Наряду с гранулометрическим составом, на распределение нефти по профилю оказывает влияние влажность и сорбционные свойства почв, а также непосредственно вид поллютанта, его концентрация и время загрязнения. Обычно в верхних органоаккумулятивных горизонтах накапливаются тяжёлые фракции, содержащие высокомолекулярные компоненты (смолы, асфальтены, циклические соединения), более подвижные низкомлекулярные соединения проникают вглубь (Солнцева, 1998; Буланова и др., 2005).
Следовательно, вниз по профилю возникает дифференциация, причём касающаяся как концентрации нефти, так и содержания её фракций. Такие же тенденции наблюдаются и для нефтепродуктов.
Помимо фронтального распределения происходит и латеральное, как правило, выражающееся в уменьшении концентрации нефти от эпицентра загрязнения к его границам (Солнцева, 1998), то есть, распространение поллютанта вширь под действием поверхностных и капиллярных сил (Бондалетова, 2002).
Ещё одним немаловажным фактором, регулирующим пространственное распространение загрязнителя, является наличие в почвах естественных геохимических барьеров: торфяных или глеевых горизонтов, выступающих в роли сорбентов и препятствующих широкому распространению нефти как вниз по профилю, так и по площади (Солнцева, Садов, 1998; Касаткина, Федорова, 2005).
Процессы самоочищения почв от нефтезагрязнения идут довольно медленно и различаются для почв разных регионов: от пяти лет в мерзлотно-тундровых таежных районах до 30 и более в лесостепных и степных (Дугов, Родин, 2000).
Концентрация нефти резко снижается (до 40–50%) только в первые месяцы после загрязнения за счёт испарения, разложения или окисления большей части лёгких компонентов поллютанта. Тяжёлые фракции закрепляются в почвенных горизонтах. Они представляют собой смеси трудноразлагаемых метановых углеводородов, смолисто-асфальтеновых и полициклических соединений, деструкция которых в природных системах затягивается на длительные периоды (Пиковский, Калачникова, 1985; Буланова и др., 2005).
Помимо природы самого загрязнителя, на трансформацию нефти и нефтепродуктов также оказывают влияние тип почвы, климатические условия, водновоздушный режим, гранулометрический состав, скорость биологического круговорота, кислотность и т.п. (Пиковский, Калачникова, 1985).
Особую опасность составляет способность некоторых компонентов нефти образовывать при трансформации различные токсичные соединения (канцерогены, мутагены), которые могут поглощаться растениями и в дальнейшем оказывать негативное влияние на животных и человека (Каюкова и др., 1999).
Нефть и нефтепродукты непосредственно влияют на морфологию почв. В ряде случаев морфологические изменения почв могут служить своеобразными визуальными индикаторами загрязнения.
В первую очередь изменяются окраска и сложение (Солнцева, 1982; Габбасова и др., 1997; Solntseva, Guseva, 1997; Шорина и др., 2010).
В верхних горизонтах цвет почвы становится более тёмным с преобладанием тёмно-коричневых и чёрных тонов, так же могут наблюдаться пятна сизовато-зеленоватых оттенков. Вниз по профилю тёмных тонов становится меньше, появляются буро-охристые и коричневато-бурые пятна (Солнцева, 1982; Solntseva, Guseva, 1997).
Вследствие смены окислительных условий на восстановительные, во всей толще могут проявляться признаки оглеения (Солнцева, Никифорова, 1988).
Крайне сильно выражена деградация генетических горизонтов, вплоть до полного стирания отличительных первичных признаков естественного профиля. Отмечается изменение характера границ в сторону появления языков и карманов, на поверхности образуются битуминозные корки (Солнцева, 1982; Solntseva, Guseva, 1997).
Вследствие неоднородности распределения поллютанта по профилю появляется ярко выраженная мозаичность. Затрагивает она и изменение структурных агрегатов: в пределах одного генетического горизонта начинают появляться участки с разными типами структурных отдельностей. Для верхних горизонтов чаще отмечается тенденция укрупнения педов или образование зернисто-комковатой структуры, для иллювиальных – размельчение, распад структурных отдельностей на более мелкие агрегаты (Солнцева, 1982).
Также качественно и количественно меняется и характер ожелезнения. В верхних горизонтах появляются морфологически оформленные железистые образования, в нижних – увеличивается доля марганца и органического вещества в составе железистых стяжений, образуются диффузные кольца и пятна. Может происходить интенсификация кутанообразования.
Изменения при загрязнении нефтью и нефтепродуктами затрагивают также химические и физико-химические показатели почв: содержание органического углерода, азота, фосфора и других макро- и микроэлементов, состав гумуса и пр. (Солнцева, 1988; Елин, 2002; Деградация… 2002; Пермитина, Димеева, 2003; Просянников и др., 2012; Puustinen et al, 1995).
Содержание углерода в загрязнённых почвах в первое время резко возрастает, но через какое-то время падает до значений, ниже контрольных в эталонных образцах (Демиденко, Демурджан, 1983; Солнцева, 1998; Габбасова и др., 1997).
Для почв лёгкого гранулометрического состава наблюдается сильное увеличение содержания органического углерода по всему профилю. В составе органического вещества отмечается рост отношения C:N (Демиденко, Демурджан, 1983; Орлова и др, 2008), доли негидролизуемого остатка и содержания фульвокислот (Андресон, и др., 1980; Середина, 2007).
В результате загрязнения нефтью происходит внедрение натрия в ППК, существенно снижается количество обменных катионов и величина ёмкости катионного обмена, (Андреева, 2005; Середина, 2007), а также уменьшается сумма обменных оснований в почвенном поглощающем комплексе (Андресон и др., 1980).
Реакция среды, как правило, меняется незначительно (Демиденко, Демурджан, 1983; Андресон и др., 1980), или происходит подщелачивание кислых почв (Андреева, 2005; Середина, 2007), снижается гидролитическая кислотность, в целом изменяется характер адсорбции-десорбции веществ (Середина, 2007).
Изменяется подвижность и соотношение макро- и микроэлементов. Уменьшается содержание подвижного фосфора (Демиденко, Демурджан, 1983; Просянников и др., 2012) и подвижных форм марганца и цинка (Минебаев, 1986), но растёт концентрация общего азота (Просянников, 2012), молибдена, кобальта и меди (Минебаев, 1986).
Некоторыми авторами отмечается накопление в нефтезягрязнённых почвах тяжёлых металлов (Водяницкий и др., 2012).
Водяницкий Ю.Н. с соавторами (2012) выделяет две зоны загрязнения почв, различающиеся по составу тяжелых металлов. В зоне первичного загрязнения концентрируются V, Ni, Sr, Ba, Cе и La. В зоне вторичного загрязнения в меньшей степени накапливаются тяжелые щелочноземельные металлы Sr и Ba и лантаниды Cе и La.
Помимо увеличения содержания органического углерода и общего азота, меняется и непосредственно гумусное состояние почв, причём поллютанты оказывают как прямое, так и косвенное влияние (Орлова, Бакина, 1998).
Прямое воздействие состоит во взаимодействии углеводородов нефти с гумусовыми кислотами, косвенное – в изменении химических и физических свойств, а также состава и активности почвенной биоты. При взаимодействии гумусовых веществ с нефтью, с одной стороны, наблюдается увеличение содержания всех групп и фракций гуминовых веществ, с другой, происходит ухудшение качества гумуса вследствие встраивания нефтяных малоазотистых углеводородов в молекулы гумусовых кислот, увеличивающих долю периферических структур в молекулах и снижающих общее содержание азота. В 2008 году эти данные были подтверждены Орловой Е.Е., Бакиной Л.Г., Соловьёвой А.В., в проведённых ими экспериментах фиксировалось увеличение содержания гумусовых кислот за счёт их химического взаимодействия с углеводородами нефти и встраивании последних в алифатическую часть молекул.
Тяжёлые фракции нефти оказывают существенное влияние на агрегатное состояние почв (Дугов, Родин, 2000; Буланова, 2005).
Отмечается увеличение глыбистости вкупе с уменьшением содержания агрономически ценных мезоагрегатов, что, в свою очередь, ведёт к общему снижению коэффициента структурности и распылённости почвы (Гилязов, 2002; Салангинас, 2003).
Также значительно увеличивается водопрочность и количество агрегатов крупнее 1 мм при одновременном снижении числа более мелких, при этом агрегаты становятся гидрофобными.
При загрязнении почв нефтью и нефтепродуктами, в частности, дизельным топливом и мазутом, изменяются плотность и удельный вес, при этом увеличение плотности сопровождается закономерным снижением удельного веса, а также порозности. Меняется водопроницаемость, обычно снижаясь до критических значений. Отмечается уменьшение гигроскопической влажности, максимальной гигроскопичности, полной и капиллярной влагоёмкостей, то есть, наблюдается сильная гидрофобизация объекта. Вместе с тем происходит снижение испарения, что также свидетельствует о закупорке почвенных пор (Гилязов, 2002; Габбасова, 2003; Пермитина, Димеева, 2003; Коновалова, 2009; Шорина, и др., 2010; Мязин, 2014; Heusemann, 1997).
Снижение этих показателей характерно, в первую очередь, для верхних горизонтов почв. В нижележащих горизонтах, напротив, происходит увеличение влажности и, как следствие, изменение водно-воздушного режима и развитие анаэробных процессов (Пермитина, Димеева, 2003; Heusemann, 1997).
Однако в работе В.А. Мязина (2014) установлено, что при загрязнении почвы дизельным топливом в высоких концентрациях (10 л/м 2), наблюдалось увеличение влажности в поверхностных слоях почвы, а внесение в качестве загрязнителя мазута в высоких концентрациях (7,5 л/м2), напротив, привело к её снижению.
Отмечается уменьшение удельной поверхности почв при загрязнении нефтью, что вызвано слипанием частиц и покрытием их поллютантом (Просянников и др., 2012).
Гранулометрический состав при этом меняется несущественно или не меняется вообще (Коновалова, 2009; Abosede, 2013).
Загрязнение нефтью оказывает влияние и на биологическую активность почвы.
В первую очередь, отмечается подавление жизнедеятельности почвенных микроорганизмов (Исмаилов, 1988): микроскопических грибов, неспороносных бактерий (Андресон и др., 1980) и др. При высоких уровнях загрязнения в почвах начинают формироваться новые комплексы микромицетов, обладающих фитотоксическими свойствами (Киреева, Галимзянова, 1995).
Небольшие концентрации нефти (Славнина, 1984) или дизельного топлива (Вершинин и др., 2011) способны стимулировать деятельность микрофлоры
Однако, благодаря увеличению концентрации углерода, в почве при загрязнении нефтепродуктами может повышаться активность биологической азотфиксации и общая численность свободноживущих азотфиксаторов при одновременном уменьшении нитрификации (Исмаилов, 1988).
Снижается ферментативная активность почв. Поллютанты ингибируют активность дегидрогеназы и протеазы (Минебаев, 1986), инвертазы (Габбасова и др., 1997; Колесников и др., 2006), целлюлазы (Киреева и др., 2000).
Активность липазы, напротив, увеличивается и может стабилизироваться, надолго оставшись на достигнутом уровне (Киреева и др., 2006).
При слабых загрязнениях почвы пластовыми водами или буровыми растворами в ряде случаев возможна активизация уреазы (Минебаев, 1986).
Однако при загрязнении почвы бензином и дизельным топливом может наблюдаться снижение активности каталазы, уреазы и протеазы и увеличение активности дегидрогеназы (Коновалова, 2009).
В целом, загрязнение нефтью или моторным маслом оказывает более негативное влияние на микробоценоз почвы, чем бензин или дизельное топливо. Более тяжёлые углеводороды приводят к заметной перестройке комплекса микроорганизмов и структуры доминирования, при этом повышается рост разнообразия бактерий и снижение – грибов (Колесников, 2006).
Внесение дизельного топлива также может способствовать интенсификации минерализации органического вещества почвы (Вершинин, 2011).
Согласно мнению большей части исследователей, состояние микробоценоза, концентрация и активность ферментов могут служить достоверным диагностическим признаком нефтезагрязнения почв.
Методы рекультивации нефтезагрязнённых почв подразделяются на две большие технологические категории: in situ и ex situ (Miertus и др., 2001).
Технологическая категория ex situ предполагает физическое удаление загрязнённого почвенного слоя с поверхности и перемещение его на специальные участки обработки и изоляции. Данная технология обладает большей дешевизной и более безопасна для грунтовых вод, животных и растений. Она делает возможным применение в дальнейшем более сложных методов очистки. Однако экскавация земель может приводить к нарушению морфологической структуры почв.
Технологическая категория in situ применяется непосредственно на месте загрязнения. Преимуществом этого метода является снижение риска негативных воздействий на окружающую среду и человека в результате экскавации и транспортировки почвы, и, как следствие, экономия денежных средств. Основной её недостаток – гетерогенная природа субстрата участков восстановления, как с геологической точки зрения, так и с точки зрения распространения загрязнения.
В России и за рубежом используется огромное разнообразие методов относящихся к обеим категориям. Условно их можно разделить следующим образом:
Для технологии ex situ:
Механические методы (механическое разделение, экскавация и
последующий вывоз загрязнённой почвы);
Физико-механические методы (сжигание, термическая десорбция,
промывка, использование сорбентов и т.д.);
- Химические методы (окисление/восстановление и т.д.);
- Биологические методы (биологическая обработка почвы).
Для технологии in situ:
- Механические методы (стены, барьеры, изолирование загрязнения);
Физико-механические методы (экстракция паром при высоких
температурах, электромелиорация и т.д.);
- Биологические методы (биоремедиация и фитомелиорация).
Помимо этого разрабатываются всё новые и новые методы очистки и рекультивации земель с применением биопрепаратов, гуминовых кислот, природных и синтетических сорбентов и т.д.
Область изучения нефтезагрязнения почв на сей день имеет солидную практическую и теоретическую базу, однако, исследования влияния нефти и нефтепродуктов на природные среды не прекращаются. Большая часть направлена на разработку и тестирование методов рекультивации, изучение взаимодействия разных поллютантов и их концентраций с почвенными объектами. Особенно много трудов по данной теме можно найти в области экологии. Постепенно заполняются оставленные пробелы, обнаруживаются новые взаимосвязи, подтверждаются и опровергаются сделанные ранее выводы, находят практическое применение теории и гипотезы.
Однако анализ изученной литературы показал, что результаты исследований физических и особенно гидрофизических характеристик нефтезагрязнённых почв довольно сложны в интерпретации и часто противоречивы, к тому же порой отсутствует привязка к конкретному виду нефтепродукта. В связи с этим исследование влияния загрязнения нефтепродуктами на гидрофизические свойства почв по-прежнему весьма актуально.
