География и геология / природопользование и экологический мониторинг
УДК: 574.1:579.26
к.б.н. Мусаева
Ж.К., Койбакова С.Е., Дельмаков А., Мудебаева Г.
Каспийский
государственный университет технологий и инжиниринга им. Ш.Есенова, Республика
Казахстан
ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ЗАГРЯЗНЕНИЯ НАЗЕМНЫХ ЭКОСИСТЕМ НА МЕСТОРОЖДЕНИИ
ЖЕТЫБАЙ МАНГИСТАУСКОЙ ОБЛАСТИ
Актуальность
темы
В настоящее
время устойчивое развитие экономики
любой страны мира, в частности, Казахстана зависит от ресурсного и, прежде
всего, нефтяного потенциала [1]. Загрязнение нефтью окружающей природы
происходит как за счет роста объемов добычи углеводородного сырья, так и вследствие несоблюдения технических
регламентов добычи, переработки и транспортировки [2].
При попадании в почву, углеводороды нефти
способны вызывать изменения ее физико-химических свойств, приводить к снижению
функциональной активности микробиоты почвенных биоценозов. Кроме того,
углеводороды нефти способны образовывать в процессе трансформации токсические
соединения, обладающие канцерогенными, тератогенными и мутагенными свойствами,
стойкостью к микробиологическому расщеплению и способностью переходить в
растения, что значительно снижает качество возделываемых культур и по
трофической цепочке создает угрозу для здоровья человека и животных [3-5].
В Казахстане основными нефтедобывающими
областями являются Атырауская, Западно-Казахстанская, Кызылординская,
Актюбинская, а также Мангистауская, находящиеся в условиях выраженной
аридности, что требует особых подходов к поиску и разработке высокоэффективных
и экологически чистых способов очистки почв, загрязненных углеводородами нефти.
В разработке таких подходов важную роль имеет химический состав добываемой
нефти. Нефть Жетыбайского месторождения в Мангистауской области характеризуется
высоким содержанием высокомолекулярных парафинов (до 25%) и асфальтосмолистых
веществ (до 20%). Актуальность таких
исследований в регионе, огромные территории которого в настоящее время
выводятся из землепользования, ввиду высокой загрязненности органическими
токсикантами, очевидна.
Цель
настоящего исследования – изучить
физико-химический состав добываемой на Жетыбай нефти, влияние нефтяных
поллютантов на наземные экосистемы и на почвенные микроорганизмы, а также
выявить зависимость численности микроорганизмов от содержания нефти.
Результаты исследований
Одним из
значительных компонентов нефти являются твердые метановые углеводороды
(парафины). Парафины содержатся практически во всех нефтях. По содержанию
парафинов выделяются три группы нефти: малопарафинистая (менее 1,5 %),
среднепарафинистая (от 1,5 до 6 %) и парафинистая (более 6 %).
На территории
Казахстана имеются большие запасы парафинистой нефти, являющейся одним из
важнейших источников углеводородного сырья. Эти запасы сосредоточены в Западных
регионах страны. Они относятся к трудноизвлекаемым, но их добыча обеспечивает
80 % всего
объема добычи нефти в стране. Трудности
извлечения нефти обусловлены высокой вязкостью углеводородного сырья.
Доля парафинистых
нефтей составляет ¼ от всех нефтей мира. На долю Республики Казахстан
приходится 93 млрд. тонн извлекаемого углеводородного сырья (сырая нефть), в
том числе встречается нефть, относящаяся ко всем группам.
Извлекаемые запасы
нефти Мангышлакского бассейна составляют 337 млн. т. Всем месторождениям
Жетыбай-Узенской ступени присуще большое количество высокомолекулярных
парафинов (до 25%) и асфальтосмолистых веществ (до 20%). Поэтому, нефть
месторождения Жетыбай можно отнести к высокопарафинистой. Она малосернистая, ее
плотность составляет 0,830-0,870 г/см3. Физико-химические свойства
нефтей Узень-Жетыбайского комплекса представлены в таблице 1 [6].
В связи с этим трудности в разработке
месторождения Жетыбай-Узенской ступени обусловлены физико-химическими свойствами нефти [7-9]:
- высокое содержание в нефти растворенного
парафина и асфальтосмолистых компонентов;
- небольшая разница в своде структуры
между давлением насыщения нефти газом и начальным пластовым давлением;
- выделение из нефти парафина в виде
твердого осадка при снижении температуры пласта ниже температуры насыщения
нефти парафином и разгазировании нефти;
- застывания дегазированной нефти при
температуре +300С;
- проявление вязкопластичных свойств
нефтей, обуславливающих возникновение начального градиента давления сдвига, в
водонефтяных зонах с начала разработки и по залежам в целом при нарушении
начальных термобарических условий.
Таким образом, нефть Мангистауской области
(месторождений Жетыбай, Узень, Бузачи, Каламкас и др.) характеризуется высоким
содержанием в ней парафина, однако существуют и принципиальные отличия их в
химическом составе. На рисунке 2 представлен углеводородный состав Жетыбайской
нефти.
Рисунок 2 – Хроматограмма углеводородного состава Жетыбайской
нефти
В исследуемых нефтях содержание
углеводородов наблюдается в широких пределах от С5 до С34. Углеводородный состав Жетыбайской нефти
представлен с С6-го атома углерода (0,69 %). С увеличением количества атомов
углерода в жидкой фракции нефти наблюдается увеличение их концентрации.
Процентное содержание жидких фракций нефти (С6-С15) колеблется в пределах 0,69 – 5,66 %.
Высокие концентрации углеводородов (3,03 -
7,58 %) представлены соединениями, содержащими от 15-ти до 24 углеродных
атомов. Это подтверждают данные физико-химического состава о наличие высокого
содержания в нефти растворенного парафина и асфальтосмолистых компонентов.
Наиболее высокое содержание в Жетыбайской нефти отмечается для соединений С17 и
С24, что скорее всего соответствует гептадекану и тетракозану. Углеводороды от
С25 до С33, соответствующие пентакозану и
тритриаконтану, находятся в меньших концентрациях от 0,42 до 4,48 %.
Массовое содержание отдельных фракций
углеводородов, в процентах к сумме органических веществ,
представлено на следующем рисунке 4.
Рисунок 4 - Фракционный состав нефти
месторождения Жетыбай (%)
Нефть Жетыбайского месторождения состоит
на 71,02 % преимущественно из углеводородов с атомами углерода С15 и выше.
При обработке результатов отчета [10], где
производилось разделение разной нефти колоночной хроматографией на
составляющие, было обнаружено, что в Жетыбайской нефти производные бензола
вообще отсутствуют, наряду с высокими концентрациями полициклоароматических соединений, по сравнению с другими нефтями
Казахстана.
Попадая на земную
поверхность нефть, изменяет свое энергетическое состояние в соответствии c химическим составом и условиями окружающей среды.
Токсическое воздействие нефти на почву связано с летучими ароматическими
углеводородами (толуол, ксилол, бензол, нафталин и др.). Вследствие высокой
ультрафиолетовой радиации, повышенной температуры и высокой растворимости,
действие низкомолекулярных нормальных алканов не долговременно. Наибольшую
опасность при разливах наряду с ароматическими компонентами, представляют
циклопарафины, олефины и парафины, содержащиеся в нефти и длительно
сохраняющиеся в почве.
Высокомолекулярные
компоненты нефти и ее смолисто-асфальтеновые составляющие цементируют
поверхность почвы в виде прочного органоминерального комплекса, образуют
устойчивые к разложению битумные киры. Однако основная часть нефти находится в
сорбированном состоянии на поверхности почвенных частиц или просто механически
заполняет поровое пространство. Такая ситуация часто
встречается на территории добычи, транспортировки и переработки нефтепродуктов. Степень загрязнения таких почв может достигать очень
высоких значений.
В
связи с тем, что вышеописываемые процессы наблюдаются в данных регионах,
интересным было исследовать уровень загрязнения почвы на примере Жетыбайского
месторождения.
Между
тем, пределы загрязнения почв сырой нефтью в Республике Казахстан не определены
нормирующими документами. В разной литературе предлагается своя градация по
степени загрязнения нефтью почвенных экосистем. Эта величина в сильной степени
зависит от состава и качества нефти. Значительное варьирование состава является
одной из причин отсутствия разработок по предельным концентрациям сырой нефти в
почвах. Поэтому, для количественной оценки степени загрязнения почв, была
использована шкала загрязнения почвы нефтью и нефтепродуктами, предложенная российскими
учеными в работе Давыдовой С.Л. и др. [11].
Согласно данной работы фоновый уровень загрязнения нефтью в России находится в
пределах 0,1-0,5 г/кг почвы, а допустимый - 1 г/кг почвы.
Для
выявления динамики загрязнения почвы нефтью Жетыбайского месторождения
почвенные образцы отбирались периодически в течение двух лет (2004 – 2005 гг.).
В течение этого времени почва отбиралась на определенных участках (действующие
и отработанные нефтяные скважины, участки под коллектором, трубопроводом, а
также амбара). Выбор данных объектов обусловлен тем, что это наиболее часто
встречающиеся участки скопления загрязнителя в промышленной зоне. Отбор
почвенных образцов с этих участков производился в весенний период года.
Полученные
результаты по определению содержания нефтепродуктов в почве показали, что в
2004 году их концентрация колебалась в пределах от 1070 до 50070 мг/кг почвы, что согласно [216] превышает
допустимый уровень нефти в почве. В
2005 году наблюдается увеличение концентрации нефти от 1800 до 62010
мг/кг на всех участках (рисунок 6).
Рисунок 6 -
Содержание нефти в почвенных образцах, отобранных с различных участков в 2004 и
2005 г.г.
На
территории нефтепромыслов главными источниками загрязнения являются
эксплуатационные и разведочные скважины, сборные пункты сырой и товарной нефти
(коллекторы), а также амбары для хранения. Динамика изменения содержания нефти
в почве в исследуемый период времени (с 2004 по 2005 гг.) показывает, что в
основном наблюдается привнесение экотоксиканта в почву.
На
территории амбара, действующей нефтяной скважины № 241 и возле коллекторов № 1
и № 2 концентрация нефти в 2005 году увеличилась. Так, в 2004 году содержание
нефти в них было 36850, 2730, 1070 и
50070 мг/кг почвы, в следующем году оно увеличилось на 14250, 3140, 4310
и 11940 мг/кг почвы соответственно. Возможно, это связано с тем, что на этом
участке произошла утечка, которая вызвала повышение уровня содержания нефти в
почве.
В
2004 году возле коллектора № 1 концентрация нефтепродуктов (1070 мг/кг) почти
была равной предельно допустимому уровню (1000 мг/кг), а возле коллектора № 2
составляла 50070 мг/кг, затем в 2005 году она увеличилась до 5870 и 62010 мг/кг
почвы соответственно.
Наиболее
распространенным и наименее управляемым источником загрязнения являются
нефтепроводы. Нефтепроводы густой сетью располагаются в нефтедобывающих
районах, в связи с чем, аварии на данных участках случаются очень часто. На
таком исследованном участке содержание нефти в 2005 году увеличивается до 26650
мг/кг почвы по сравнению с данными 2004
года, где концентрация нефти в почве составляла 21200 мг/кг почвы.
На
нефтяных скважинах № 512, 1502 и 304 наблюдается снижение концентрации нефти от
23320, 2065
и 8035 мг/кг почвы до 18050, 1800 и 6000
мг/кг почвы соответственно. Снижение концентрации нефтяных углеводородов,
по-видимому, связано с деструктивными процессами в почве, окислительным
действием абиотических факторов окружающей среды. Тем не менее, показатели 2005
года находятся выше допустимого уровня.
Заключение
Таким образом, вышеописанные характеристики
нефти Жетыбайского месторождения раскрывают нам картину о специфичности
химического состава нефти, ее парафинистости и
о вытекающих отсюда проблемах.
Благодаря своим свойствам парафинистые
углеводороды способны быстро стабилизироваться, существенно преобразуя и
значительно ухудшая водно-воздушный режим и другие свойства почвы. Как видно из полученных
результатов, процесс естественного
разложения загрязнений в почвах чрезвычайно длителен. Самоочищение загрязненных
нефтью и нефтепродуктами объектов может продолжаться в течении нескольких
десятков лет [33, с.11].
Разложение нефти и нефтепродуктов в почве
в естественных условиях - процесс биогеохимический, в котором главное и
решающее значение имеют микроорганизмы, обеспечивающие полную минерализацию нефти
и нефтепродуктов до СО2 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.
Наиболее целесообразным для таких задач
является применение микроорганизмов, выделенных из загрязненных этой нефтью
объектов [217]. Поэтому в данной сфере в последующих работах необходимым
является рассмотрение вопросов восстановления наземных экосистем, нарушенных в
результате деятельности нефтедобывающей промышленности.
Литература
1.
Касимова А.М.
Воздействие накопителей промышленных отходов на окружающую среду // Людина i
довкiлля. Проблеми неоекологiк. - 2004. - № 5. – С. 64 – 67.
2.
Диаров М.Д., Гилажов
Е.Г., Димеева Л.А. Экология и нефтегазовый комплекс. – Алматы: Ғалым, 2003. – Т. 2. – 340 с.
3.
Алехин В.Г., Емцев В.Т.,
Рогозина Е.А., Фахрутдинов А.И. Биологическая активность и микробиологическая
рекультивация почв, загрязненных нефтепродуктами // Биологические ресурсы и
природопользование: сб. науч. тр. пед. ин-та. – Нижневарт., 1998. – Вып. 2. –
С. 95-105.
4.
Миронов О.Г. Нефтяное
загрязнение и жизнь моря. – Киев: Наукова думка, 1973. – 201с.
5.
Каюкова Г.П., Гарейшина
А.З., Егорова К.В. и др. Нефть и нефтепродукты – загрязнители почвы // Химия и
технология топлив и масел. 1999. - № 5. - С. 37-43.
6.
Киинов Л.К. Разработка
месторождений парафинистых и вязких нефтей в Западном Казахстане. – Москва:
ВНИИОЭНГ, 1996. – 150 с.
7.
Теслюк Е.В., Розенберг
М.Д., Сафронов С.В. и др. Принципы создания энерго- и ресурсосберегающих
технологий разработки месторождений парафинистых и вязких нефтей с применением
термозаводнения // Нефт. хоз-во. – 1995. - № 4. – С. 14-18.
8.
Орлов В.С., Кильдибекова
Л.И., Нестерова Н.Е. Влияние неоднородности пластов на технико-экономические
показатели разработки месторождений высокопарафинистых вязкопластичных нефтей.
– Москва: Недра, 1987.
9.
Новые нефти Казахстана и
их использование. Нефти Мангышлака. – Алма-Ата, 1981.
10.
Разработка научных основ
методов химико-аналитического определения токсичных загрязнителей воды и почвы
Казахстана: отчет о НИР / ИХН ЦХТИ МОН РК. – Алматы, 2005. – 76 с. – Инв. №
0205РК01041.
11.
Давыдова С.Л., Тагасов
В.И. Нефть и нефтепродукты в окружающей среде. - М.: РУДН, 2004. – 163 с.