Влияние предприятий по добыче полезных ископаемых на окружающую среду

Итак, процессы естественной регенерации биогеоценозов  на загрязненных территориях идут медленно, причем темпы становления различных  ярусов экосистем различны. Сапрофитный  комплекс животных формируется значительно  медленнее, чем микрофлора и растительный покров. Пионерами зарастания нарушенных почв часто являются водоросли.

     Территории  нефтепромыслов занимают площади в  десятки и сотни км2, причем большая  часть, занимаемая ими, не изъята из сельскохозяйственного  использования. Так как нефтепромыслы одного нефтедобывающего района связаны между собой различными коммуникациями, антропогенными и природными потоками вещества, то очагом техногенного давления на природную среду следует считать нефтедобывающий район или область. 
К основным сооружениям нефтепромысла относятся скважины, компрессорно-насосные станции, нефтехранилища, пункты первичной подготовки нефти, трубопроводы, амбары, отстойники. Каждое из этих сооружений может представлять собой потенциальный источник химического загрязнения окружающей среды. Основными загрязняющими веществами на территории нефтедобывающего района являются:  
1) пластовая жидкость, состоящая из сырой нефти, газа, высокоминерализованных пластовых вод, и формирующая техногенные потоки от эксплуатирующихся скважин или при аварийном прорыве трубопроводов;  
2) соленые сточные воды, полученные в процессе первичной переработки нефти, которые попадают в почвы и водоемы в результате аварий на компрессорно-насосных станциях или самопроизвольных разливов на законтурных скважинах;  
3) подземные воды, аналогичные по составу со сточными водами, использующиеся для поддержания пластового давления в продуктивных пластах;  
4) буровые растворы с различными химическими добавками (кислотами, солями, поверхностно-активными веществами), применяемые для промывки стволов скважин во время бурения.  
Попадание этих веществ в окружающую среду происходит в результате нарушения технологии, износа оборудования, аварийных ситуаций. Локальные аварии, например, прорыв трубопроводов, представляют повышенную опасность для почв, так как нефть с сопутствующими пластовыми  
водами проникает в более глубокие слои почвенного профиля и не всегда может быть обнаружена при экологическом мониторинге данного участка. Наиболее сильное загрязнение почв жидкими углеводородами происходит при сбросах сырой или товарной нефти. Поступление же в почвы сточных вод, буровых растворов и т.д. не приводит к высокой степени нефтезагрязнения из-за небольшой исходной концентрации нефтяных компонентов в этих потоках, но в случаях их многократного выброса, степень загрязнения почв может резко возрасти.  

     Нефть и нефтепродукты, главным образом, сырая нефть и различного вида топлива загрязняют природную среду  в широких масштабах, так как  для них характерна большая подвижность. Причем особенностью сырой нефти как загрязняющего вещества является постоянное наличие таких сопутствующих компонентов, как минерализованные пластовые воды, соли щелочных металлов, сероводород, углеводородные газы, без которых в чистом виде нефть в природе не существует. Поэтому воздействие сырой нефти и нефтепродуктов на почвенный покров является комплексным, многоплановым и обусловлено, прежде всего, количеством, химическим составом, а также свойствами различных органических и неорганических веществ и соединений, входящих в состав данных поллютантов.  
Миграция нефтяных компонентов в почвах - сложный процесс, на который влияет большое количество факторов, таких как свойства принимающей среды (климатические условия, водно-термический режим, наличие-отсутствие мерзлоты, тип почвы, влажность почвы на момент загрязнения и особенности ее гранулометрического состава), и свойства поступающего органического загрязнителя (его количество, химический состав, вязкость, температура застывания, длительность его присутствия в почвенном профиле). Перемещение нефти в почвенном пространстве может быть как радиальным, то есть в глубь почвенного профиля, так и латеральным - в соответствии с уклоном поверхности. При радиальном распределении нефти в почвенном профиле значительную роль играют так называемые барьеры-аккумуляторы, то есть горизонты с повышенной нефтеемкостью. Горизонтами-концентраторами нефтяных компонентов являются высокоемкие (органо-сорбционные) органогенные горизонты почв и торфов, а также горизонты легкого гранулометрического состава (минерально-сорбционные), имеющие достаточно высокую эффективную пористость с более низкой потенциальной емкостью.  
Контрастность внутрипочвенного распределения нефти определяется неодинаковой нефтеемкостью отдельных горизонтов почвенного профиля. Так, наибольшей нефтеемкостью (>400 г/кг) обладают торфяные горизонты и собственно торфяные почвы и торфяники, которые формируют мощную систему баръеров-концентраторов в вертикальном профиле почв. В почвах под луговой растительностью и лесом наблюдается интенсивное накопление привнесенных нефтяных компонентов также в верхних горизонтах, поскольку задернованность почвы и наличие лесной подстилки значительно снижают их радиальную миграцию.  
Количество органических загрязняющих веществ, аккумулирующихся в горизонтах-концентраторах, зависит не только от их нефтеемкости, но также и от их мощности. Например, торфяные почвы с мощностью торфяного горизонта более 10 см аккумулируют основную массу нефти, препятствуя попаданию нефтяных компонентов в грунтовые воды. Накопление жидких углеводородов может быть приурочено как к верхней, органогенной части почвенного профиля, так и в средней или даже в нижней его части, происходящей из-за изменения свойств подстилающих субстратов. Например, вторичное, то есть происходящее через некоторое время, внутрипочвенное перераспределение нефтяных компонентов наблюдается над более плотными слоями торфов в торфяной залежи, над слоем льдистой мерзлоты, над минеральными горизонтами тяжелого гранулометрического состава, особенно глеевыми. Свободному проникновению жидких нефтяных углеводородов в глубь почвенного профиля препятствуют почвенные барьеры-экраны (субстраты тяжелого гранулометрического состава, глеевые или обводненные, а также близко залегающий слой мерзлоты и почвенно-грунтовые воды). Они переводят поток поллютантов в латеральный сток в соответствии с уклоном поверхности, тем самым, способствуя значительному расширению первоначальной площади  загрязнения. Длительные или большие по объему сбросы нефтесодержащих сточных вод на почвенный покров могут привести к постепенному увеличению содержания нефтяных компонентов в почвенном профиле и проникновению их по каналам миграции (трещины, прослои песчаных субстратов) и под действием капиллярно-сорбционных сил в нижележащие горизонты.  
Характер миграции и глубина проникновения нефти в почвах мерзлотно-тундрово-таежных районов существенно зависит от положения и глубины оттаивания мерзлотного слоя, глеевого режима почв. Наличие сорбционных барьеров в виде торфяных или гумусовых горизонтов достаточной мощности затрудняет проникновение органических поллютантов в глубь почвенного профиля. Изучение процессов поглощения и миграции нефти торфяными почвами показало, что проникновение нефтяных углеводородов в торфяные горизонты вызывает образование достаточно прочно сцементированных кусочков торфа, лишенного живых организмов, между которыми легко фильтруется жидкая нефть. В результате этих процессов, после насыщения верхних слоев торфяного горизонта, скорость фильтрации нефти может увеличиваться, и она просачивается на большую глубину.  
Установлено, что величина нефтемкости зависит от влажности торфа на момент его загрязнения. Торф, относительная влажность которого около 50% удерживает 350 литров жидкой нефти на 1м2, в то время как воздушно-сухой торф может удерживать до 600 литров нефти на 1м2, а более рыхлые верхние слои отличаются большей нефтеемкостью, чем разложившиеся и плотные глубокие слои торфяного горизонта. Данные по определению нефтеемкости позволяют определять площади загрязненных нефтью торфяных почв, а их свойство активно удерживать нефть и нефтепродукты может быть использовано для предупреждения крупных аварийных разливов нефти. Так, для предотвращения распространения нефтяного разлива рекомендуется применять сухой торф, который, впитав нефть, предотвращает дальнейшее загрязнение. Контуры нефтяного загрязнения торфяных почв этих районов  
также зависят от наличия-отсутствия мерзлых слоев, состава, плотности и степени разложения торфяной массы. Установлена провальная фильтрация нефтепродуктов через рыхлые торфяные горизонты, их накопление в надмерзлотных слоях. Близкое залегание грунтовых вод обусловливает распространение нефти в соответствии с уклоном поверхности.  
Для мерзлотно-тундрово-таежных районов в связи с неблагоприятными климатическими условиями характерна длительная аккумуляция нефтяных компонентов в почвах и их очень медленная минерализация. В районах таежно-лесной зоны, лежащих вне пределов распространения вечной мерзлоты, высокое атмосферное увлажнение, промывной режим в дренированных почвах создают условия для выщелачивания водорастворимых органических и минеральных загрязняющих веществ и их дальнейшей миграции с грунтовыми и поверхностными водами, приводящие в некоторых случаях к временному загрязнению почв трансаккумулятивных ландшафтов. Глубина проникновения нефтяных компонентов обусловлена уровнем грунтовых вод, а характер миграции в почвенном профиле контролируется гумусовыми и иллювиальными сорбционными барьерами. В связи с широким распространением болот в данных районах наблюдается интенсивная аккумуляция нефти в верхних слоях торфяных горизонтов и довольно медленная скорость деградации нефтяных углеводородов в восстановительных условиях.  
Свойства нефти, такие как ее химический состав, вязкость, а также наличие сопутствующих минерализованных пластовых вод, определяют характер ее фракционирования в почвенном профиле. Так, при поверхностном, аварийном разливе нефти на почву вертикальное передвижение ее вниз по почвенному профилю создает так называемый хроматографический эффект, приводящий к дифференциации нефтяных фракций. В верхнем гумусовом горизонте сорбируются высокомолекулярные компоненты нефти, содержащие много смолисто-асфальтеновых веществ, а в нижние горизонты проникают в основном низкомолекулярные соединения, имеющие высокую растворимость в воде и минерализованные пластовые воды.  
Иная дифференциация нефтяных компонентов в почвенном профиле наблюдается при внутрипочвенном разливе нефти, например в результате прорыва нефтепровода, проходящего на определенной глубине. В этом случае в нефтезагрязненных аллювиальных дерново-глеевых почвах вся высокомолекулярная фракция нефти была сосредоточена на глубине 40-80 см, а низкомолекулярные углеводороды обнаружены только в верхнем горизонте почвенного профиля. Так как высоко-молекулярные нефтяные компоненты фиксируются в почве непосредственно на месте разлива, можно сделать предположение о возможном внутрипочвенном нефтяном разливе. Такие внутрипочвенные разливы считаются наиболее опасными, так как они не могут быть обнаружены при мониторинге почв визуально, а только при применении специальной техники, например георадаров. Скрытое нефтяное загрязнение можно обнаружить по косвенным признакам, например, по изменению растительного покрова: пожелтению травы или засыханию деревьев и кустарников, что является проявлением токсичного действия нефтяных углеводородов.  
В некоторых случаях загрязнение почв нефтью и нефтепродуктами может происходить как с поверхности (разлив непосредственно на почву), так и в нижних горизонтах почвенного профиля за счет подъема в период половодья грунтовых вод, загрязненных подземными стоками.  
Таким образом, характер накопления нефтяных компонентов и механизмы их миграции в профиле почв определяются различными почвенными свойствами, такими как влажность, плотность, пористость, наличие почвенно-геохимических сорбционных барьеров, их мощность и гранулометрический состав, а также глубиной залегания грунтовых вод. Уровни нефтяного загрязнения почв также зависят от типа загрязнителя, характера его поступления в почвенный профиль (длительное время, однократно или эпизодически) и времени его нахождения в почвах.  
Протекание процессов внутрипочвенной деградации нефти имеет некоторые общие закономерности, хотя и различается в разных почвенно-климатических 

Восстановление почв 

     Говоря  о процессах восстановления нефтезагрязненных  почвенных экосистем, многие исследователи (например, Т. П. Славина, М. И. Кахаткина  и др. , 1986) обращают внимание на то, что  обычные рекультивационные мероприятия  имеют ряд недостатков - не всегда способствуют восстановлению почв и растительности и часто сами наносят долговременный вред природе. Землевание замедляет процессы разложения нефти. Вывоз загрязненного слоя создает новые очаги вторичного загрязнения. Исследования показывают, что при сжигании нефти сроки естественного восстановления нефтезагрязненных почв значительно увеличиваются, происходит образование полициклических ароматических УВ, обладающих канцерогенными свойствами, следовательно, увеличивается токсичность почв, затормаживается восстановление всех блоков экосистемы.  

     В настоящее время научно обоснованные методы ликвидации последствий загрязнения  отсутствуют. Для максимального  уменьшения неблагоприятного воздействия  необходимо знание законов трансформации  загрязненных экосистем и загрязняющих веществ, прогноз их изменения во времени.  

     Н. М. Исмаилов, Ю. И. Пиковский (1988) считают, что концепция восстановления загрязненных экосистем должна опираться на следующий  принцип: не нанести экосистеме больший  вред, чем тот, который уже нанесен при загрязнении. Суть концепции - максимальная мобилизация внутренних ресурсов экосистемы на восстановление своих первоначальных функций. Рекультивация, по определению исследователей, - это продолжение процесса самоочищения, при котором используются природные резервы экосистемы: климатические, микробиологические, ландшафтно-биохимические.  

     Концепция восстановления загрязненных земель исходит  из положения, что в разных почвенно-климатических  и ландшафтно-геохимических условиях процессы трансформации загрязнителей аналогичного типа в одних и тех же дозах происходят с разной скоростью и останавливаются на разных стадиях. Различаются и результаты воздействия разных доз загрязнителей на экосистемы. Самоочищение и самовосстановление экосистем - стадийный биохимический процесс трансформации загрязняющих веществ, сопряженный со стадийным восстановлением биоценоза.  

     В соответствии с этапами биодеградации  происходит регенерация биоценозов. Процессы идут разными темпами на разных ярусах экосистем. Значительно медленнее, чем микрофлора и растительный покров, формируется сапрофитный комплекс животных. Полной обратимости процесса, как правило, не наблюдается. Наиболее сильная вспышка микробиологической активности приходится на второй этап биодеградации нефти. При дальнейшем снижении численности всех групп микроорганизмов до контрольных значений, численность углеводородоокисляющих организмов на многие годы остается аномально высокой по сравнению с контролем.  

     Н. М. Исмаилов, Ю. И. Пиковский (1988) неоднократно подчеркивают, что механические и физические методы рекультивации не могут обеспечить полное удаление нефти и нефтепродуктов из почвы. Разложение нефти в почве в естественных условиях - процесс биогеохимический, в котором главное и решающее значение имеет функциональная активность комплекса почвенных микроорганизмов, обеспечивающих полную минерализацию нефти и нефтепродуктов до углекислого газа и воды. Ускорить очистку почв с помощью микроорганизмов можно в основном двумя способами: активизацией метаболической активности микрофлоры почв путем изменения физико-химических условий среды ( агротехнические приемы ) или внесением специально подобранных активных нефтеокисляющих микроорганизмов в загрязненную почву.  

     Анализ  многочисленных работ по рекультивации  нефтезагрязненных почв дает противоречивые результаты - одни и те же мероприятия в разных условиях приводят к неодинаковым последствиям. Вышеупомянутые авторы намечают наиболее общие принципы интенсификации самоочищающей способности почв. На первом этапе, когда геохимическая обстановка наиболее токсична, целесообразно проводить подготовительные мероприятия: аэрацию, увлажнение, локализацию загрязнения. На втором этапе возможен пробный посев культур с целью оценки остаточной фототоксичности почв, работы по регулированию водного режима и кислотных условий, в случае необходимости - рассоление. На третьем этапе восстанавливаются естественные растительные биоценозы, создаются культурные фитоценозы, практикуется посев многолетних растений. Длительность процесса рекультивации зависит от почвенно-климатических условий и характера загрязненности.  

В настоящее  время все способы рекультивации  почв не являются достаточно приемлемыми. Рассмотрим их основные недостатки:  

Обработка почвы  сольвентами приводит к частичному или полному уничтожению в почве колоний микроорганизмов, что приводит соответственно к обеднению почвенного состава и уничтожению всех плодородных свойств почвы. В результате выпаривания, которое происходит при температуре не ниже 700-800С вся почвенная органика сгорает в прямом смысле слова. В результате этих мер очистки почвы мы имеем полностью стерильную почву, которая не пригодна для жизни растений и останется такой еще в течении многих лет, даже если пытаться стимулировать рост бактерий, внося в почву новые штаммы микро организмов или производя смешивание “пустой” почвы с почвенными культурами, взятыми из других областей.  

С экономической  точки зрения данный метод также  является невыгодным, т. к. вещества, которыми обрабатывается почва используются в больших количествах и являются дорогостоящими.  

Срезка зараженного  грунта приводит прежде всего к образованию  новых очагов загрязнения. В результате срезки появляются места с почвенным  голоданием, что особенно актуально  в местах наиболее частых разливов нефти, т. е. за Полярным кругом. При выполнении этих работ затрачивается большой объём средств, т. к. необходимо эвакуировать большое количество зараженного грунта, что приводит к занятости большого числа людей и техники.  

Наиболее перспективным  методом обеззараживания почв, по мнению автора данного доклада является принудительное окисление нефти и нефтепродуктов при помощи почвенных микроорганизмов. Практика внесения в почву бактериальных штаммов сейчас пока еще не очень распространена. Этому имеется много причин, одной из которых является несовместимость условий нормальной жизнедеятельности бактерий с условиями данного региона. Например в местах основной нефтедобычи, т. е. в условиях крайнего севера, многие виды бактерий не жизнеспособны в следствии низких температур и специфического почвенного состава. Поэтому необходимо производить исследования для выявления возможных бактериальных штаммов.  

В настоящее  время ведутся исследования в  области искусственного стимулирования роста бактериальных штаммов. Известны два основных направления.  

Первое: внесение в почву, загрязненную нефтью аналогичной  незагрязненной почвы для образования  семейств бактерий и стимуляции их роста.  

Второе: Использование  метал-лигандных соединений. В почву  в виде суспензии вводятся металлические соединения, в результате вокруг катиона металла образуется магнитное поле в котором молекулы воды , кислорода , азота ориентируются особым образом , что создает особый водно-кислородный режим , из-за которого значительно улучшаются физико-химические свойства почв . Кроме этого в магнитном поле катиона гораздо лучше развиваются бактерии , в результате деятельности которых идет процесс окисления нефти . В природных условиях В качестве катионных центров обычно выступают щелочные металлы Ca , K , Na . Исследования показывают , что потенциал переходных металлов гораздо больше , что и учитывается в приготовлении почвенных добавок . Обычно используются ферриты Fe-S, Fe2-S2 и т. д. В этом случае имеется еще один плюс в том что эти вешества в огромных количествах встречаются в отвалах теплоэлектростанции и при их отделении они получаются почти чистыми . Внесение их в зараженную почву имеет двоякий эффект во-первых стимуляция роста бактериальных семейств , во-вторых окультуривание почв.