Основы экологии

нефть, имея в виду и нефтепродукты) может привести к утрате водоема как объекта одного или нескольких видов водопользования.

Влияние нефти и нефтепродуктов на водоем проявляется в ухудшении физических свойств воды (замутнение, изменение цвета, вкуса, запаха), отравлении воды токсическими веществами, образовании поверхностной пленки нефти и осадка на дне водоема, понижающей содержание кислорода.

Имеющиеся в настоящее время методы очистки воды в местах ее забора, устранения нефтяного привкуса и запаха, восстановления прозрачности и цветности, локализации, сбора и удаления нефти позволяют смягчить последствия загрязнения, ускорить восстановление временно утраченных свойств и тем самым обеспечить дальнейшее использование водоемов культурно-бытового и хозяйственно-питьевого назначения. Однако с позиции рыбного хозяйства водоему при всем этом может быть нанесен невосполнимый ущерб, обусловленный высокой чувствительностью водных организмов и растительности к нефтяному загрязнению с одной стороны и стойкостью и токсичностью нефти с другой.

Нефтяное загрязнение рек и водоемов холодных регионов может иметь более серьезные последствия, чем в условиях средней полосы.

Воды рек Севера и Западной Сибири отличаются низкой минерализацией и температурой по сравнению с реками средней полосы. Так, например, среднегодовая минерализация вод Печоры 42,4, Оби 76,6, Урала 302 и Волги 182 мг/л. Слабая минерализация обусловлена питанием рек этих районов водами торфяников и болот, а также поверхностным стоком дождевых и снеговых вод, которые характеризуются высоким содержанием органических веществ. На окисление растворенных в воде органических веществ затрачивается значительное количество кислорода и в результате содержания его в воде резко уменьшается.

Другими факторами, способствующими понижению содержания кислорода, являются длительность ледостава и малая водность рек в зимний период. Продолжительность ледостава на реке Аган 200 суток, Оби 190, Большой Салым 180, Туртас 150 180 суток. В течение этого периода практически прекращается аэрация, а питание рек осуществляется главным образом обескислороженными водами.

Водность рек в зимнее время здесь снижается до минимума. Средняя величина зимнего стока рек составляет 5 % от годового. Соответственно снижается и содержание кислорода.

Выбор экологичных решений

Комплекс изыскательных работ при проектировании подводного перехода включает топографические, инженерно-геологические, гидрологические и экологические изыскания. В процессе экологических изысканий устанавливают: видовой состав и количественные оценки населяющей водоем ихтиофауны; расположение и границы нерестилищ, кормовых угодий рыб; места водозабора и сброса сточных вод; категорию и назначение данного водоема, а также водоемов, расположенных ниже по течению; площади и характеристики водосбора; физико-химические показатели качества воды, гидрографию региона и т.д. Данные экологических изысканий используются при выборе створа, профиля и конструкции перехода, способа прокладки и технологии производства земляных работ, конструкции берегоукреплений и т.д.

Выбор створа и профиля перехода является одной из наиболее важных задач на стадии проектирования подводного трубопровода, от правильности решения которой зависит надежность его эксплуатации и экологичность, объем строительно-монтажных работ и их стоимость, технология и организация строительства.

СНиП 2.05-06-85 предписывает учитывать при определении створа и профиля перехода затраты на сооружение, прочность и устойчивость трубопровода, требования по охране природы, гидроморфологические характеристики водоема и их изменения в течение срока эксплуатации подводного перехода. Проектирование перехода осуществляется по материалам изысканий, срок давности которых не превышает двух лет.

Переходы нефте- и продуктопроводов через реки и каналы размещают ниже по течению от мостов, промышленных предприятий, пристаней, речных вокзалов, гидротехнических сооружений, водозаборов, зон отдыха, а также нерестилищ и мест массового обитания рыб. Отметим, что данная рекомендация может быть реализована относительно одного (ближайшего к трассе) водозабора или нерестилищ. Аналогичные объекты, расположенные ниже перехода по течению, могут быть при этом экологически незащищенными. Поэтому, очевидно, экологические изыскания должны проводиться с учетом потенциального загрязнения при аварии подводного трубопровода и гидрографии региона, включая

категорийность и назначение водоемов, расположенных ниже по течению. Место перехода согласовывается с бассейновыми управлениями

речного флота, органами по регулированию использования и охране вод, охраны рыбных запасов и другими заинтересованными организациями. Представляемые в органы рыбоохраны материалы должны содержать:

название водоема, привязку створа перехода; сроки и способы проведения строительно-монтажных работ; рыбохозяйственные характеристики водоемов и их участков в районе перехода;

способы разработки траншей, характеристики механизмов (земснарядов, экскаваторов, трубозаглубителей и т.д.).

Мероприятия по борьбе с нефтяным загрязнением водоемов

Своевременное установление нефтяного загрязнения в значительной мере предопределяет правильность выбора метода и средств локализации и удаления загрязнителей с поверхности воды. Наиболее простой визуальный способ оценки нефтяного загрязнения основан на наблюдении за внешними признаками, сопровождающими процесс распространения нефти по поверхности воды. Руководствуясь этими признаками можно ориентировочно определить степень загрязненности водоема.

Более точная оценка содержания нефти в воде осуществляется лабораторным анализом пробы воды с помощью специальных приборов.

Снижение концентрации нефти и нефтепродуктов в воде происходит в результате их естественного распада, химического окисления; испарения легких фракций и биологического разрушения микроорганизмами, обитающими в водной среде. Все эти процессы характеризуются низкой скоростью, определяемой, главным образом, температурой воды. Химическое окисление нефти затрудняется высоким содержанием в ней предельных углеводородов. Окисляются и испаряются в основном легкие фракции от керосина до смазочных масел, что приводит к накоплению в воде тяжелых трудноокисляемых фракций нефти, которые впоследствии образуют донное загрязнение.

Сокращение содержания нефти в пленке в первые дни после ее образования происходит преимущественно за счет испарения. При температуре воды 22 27 ºС потери нефти из пленки в результате испарения за первые три дня достигают 26 %, а при -5 ºС 12 %, Дальнейшее уменьшение нефти в пленке обусловливается биохимическим окислением и оседанием на дно водоема.

Биохимическое окисление нефти сопровождается интенсивным поглощением кислорода воды. Согласно экспериментальным данным на окисление 1 мг нефти затрачивается в среднем 3 5 мг кислорода. Поэтому показатель биохимического потребления кислорода (БПК), численно равный количеству кислорода, поглощаемого 1 л пробы воды при биохимическом окислении органических загрязнений микроорганизмами, используют в качестве индикатора наличия нефти в воде и интенсивности его окисления.

Полное окисление нефти в аэробных условиях продолжается не менее 100 150 дней, а в анаэробных длится еще дольше, что предполагает возможность загрязнения значительных участков реки или водоема. С учетом этого в случае загрязнения водоема нефтью применяют специальные методы локализации, сбора и удаления нефти с поверхности воды.

Локализация, сбор и удаление нефти и нефтепродуктов являются сложным и трудоемким процессом вследствие малой толщины нефтяной пленки и относительно высокой скорости ее распространения.

В настоящее время накоплен значительный опыт по борьбе с нефтяным загрязнением водоемов. Широкое распространение получили механические способы локализации, сбора и удаление нефти с поверхности воды. Эти способы включают боновые заграждения и различные конструкции скиммеров и нефтесборщиков.

Примером заграждения подводного типа является пневматический барьер, принцип работы которого заключается в создании препятствия в верхнем слое воды при непрерывной подаче воздуха через перфорированную трубку, уложенную на дно водоема. Удерживающая способность пневматического барьера определяется скоростью и углом подачи воздуха, течением воды и степенью волнения. Достоинством метода является возможность свободного прохода судов.

Технология локализации поверхности воды абсорбирующими материалами довольно проста. Абсорбирующий материал разбрасывается в сыпучем виде, впитывает нефть и образует «густое» нефтяное пятно на поверхности воды. В качестве абсорбентов применяются пенополиуретан, торф, торфяной мох, опилки, солома и др., обладающие избирательной абсорбирующей способностью к нефти и нефтепроодуктам. Так, например, 1 кг торфяного мха поглощает 8,5 кг трансформаторного масла, 9,8 кг сырой нефти и 12,9 кг бензина. Некоторые искусственные материалы, например, пенополиуретан поглощают нефть и нефтепродукты весом

почти в 20 раз превышающие их собственный вес. Такой пенопласт может поглотить с поверхности воды слой нефти толщиной 10 мм и снизить концентрацию нефти в воде с 4000 6000 мг/л до 10 14 мг/л.

Значительный интерес представляет использование для локализации нефти гидрофобного адсорбента на основе вспученного перлита. Технология обработки перлита и его применения для очистки водной поверхности от пленочных нефтяных загрязнений разработана специалистами Киевского политехнического института и Института коллоидной химии и химии воды i АН Украины. Поглотительная способность обработанного перлита составляет более 80 % собственной массы и максимальна при размере фракций 0,2 0,4 мм.

В зону загрязнения адсорбент подается из-под воды с помощью гидроэжекторной установки. По сравнению с распылением адсорбента на загрязненную поверхность подача его из-под воды исключает потерю поглотителя, а также повышает эффективность его применения.

Сбор и удаление нефти с поверхности воды осуществляется нефтесборщиками, скиммерами (сепараторами) различной конструкции и сорбирующими материалами.

ВНИИСПТ разработан нефтесборщик, принцип работы которого основан на эффекте вихревой воронки. Производительность нефтесборщика при толщине пленки нефти на поверхности воды 3,5 мм составляет 30 м3/час.

Малогабаритный скиммер состоит из понтона, емкости и отсасывающего рукава. Поверхностная пленка нефти всасывается через погруженный в воду край скиммера при работе отсасывающего насоса. При увеличении скорости откачки погружение переднего края в воду увеличивается, и больший слой пленки всасывается в емкость. С уменьшением скорости откачки передний край поднимается, а при прекращении откачки выходит из воды. Таким образом, регулируя скорость откачки, можно собирать и удалять нефтяные пленки различной толщины. При ширине переднего края скиммера 1 м максимальная производительность достигает 12 т/ч. Наиболее эффективно его использование для сбора толстых пленок нефти в спокойной воде.

Конструкции дискового и баранного скиммеров отличаются от выше описанных. Принцип работы их основан на свойстве адгезии нефти и нефтепродуктов. В процессе вращения барабанов нефть увлекается ими вверх, где стекает под действием собственного веса или счищается специальными щитками в накопитель, а из последнего удаляется в

резервуар. Эффективность работы таких скиммеров зависит от скорости вращения и размера дисков (барабана) и вязкости нефти и нефтепродуктов.

Сбор насыщенного нефтью сорбента и отделение его от воды производится с помощью специального судна нефтесборщика. Насыщенный нефтью сорбент вместе с водой всасывается через заборное устройство. Адсорбированная нефть накапливается в емкости, расположенной на нефтесборщике.

2. Словарь понятий

Подводный переход – участок магистрального трубопровода, пересекающий естественные или искусственные водоемы.

Меженный уровень вод – наименьший уровень вод, питание реки происходит за счет грунтовых вод.

Линия размыва – линия, до которой в течение времени происходит глубинное переформирование дна русла.

3. Материалы, используемые в процессе обучения

3.1. Материалы к лекции

Возможен следующий план лекции:

1)Характеристика техногенных воздействий на реки и водоемы в процессе строительства и эксплуатации подводных трубопроводов.

2)Выбор экологичных проектных решений.

3)Мероприятия по борьбе с нефтяным загрязнением водоемов.

Литература:

Березин В.Л., Ким Б.И. Проектирование и эксплуатация подводных трубопроводов за рубежом. М.: изд. ВНИИОЭНГ, 1986.

Березин В.Л., Зоненко В.И., Ким Б.И. Повышение экологичное™ нефтегазопроводов. М.: изд. ВНИИПКтехоргнефтегазстрой, 1987.

Березин Л.В., Зоненко В.И., Ким Б.И. Методы укладки и обеспечения устойчивости глубоководных трубопроводов. М.: изд. ВНИИЭгазпром,

1988.

МОДУЛЬ 15 ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПРИЗЕМНОГО СЛОЯ АТМОСФЕРЫ ПРИ

ЭКСПЛУАТАЦИИ МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОНЕФТЕПРОВОДОВ. ВВЕДЕНИЕ

Данная тема рассматривает вопросы загрязнения приземного слоя атмосферы при повреждении магистрального газопровода, распространение загрязнений в приземном слое атмосферы. В модуле изложены особенности загрязнения окружающей среды при трубопроводном транспорте сжиженных газов.

Схема изучения нового материала

Основы научно – теоретических знаний по модулю 1. Загрязнение приземного слоя атмосферы при эксплуатации

магистральных трубопроводов и его последствия

При повреждении газо- и нефтепроводов выделяются различные токсичные вещества. Основными загрязнителями атмосферы являются природный газ, продукты испарения нефти и нефтепродуктов, аммиак, этилен, ацетилен, а также продукты сгорания перекачиваемых углеводородных смесей. Все эти загрязнения относятся к локальным и временным, так как они рассеиваются под воздействием воздушных потоков.

Загрязнение приземного слоя атмосферы оказывает существенное

также суточных колебаний температуры происходит достаточно интенсивное выделение продуктов испарения в приземной слой атмосферы.

В результате только одного большого «дыхания» потери нефти из резервуара объемом 5000 м3 могут достигать 3,5 т. Годовые потери нефти из такого резервуара из-за малых «дыханий» могут составить 30 60 т. Необходимость сливно-наливных операций, неизбежность суточных колебаний температуры окружающего воздуха предопределяют стационарный характер такого загрязнения. Это обстоятельство позволяет локализовать основные источники загрязнения атмосферы в пределах резервуарного парка.

Самопроизвольное возгорание нефти, нефтепродуктов и газа при повреждении линейной части или резервуара, хотя это и случайное редкое явление, однако оно вызывает очень интенсивное загрязнение воздуха.

Особенности загрязнения окружающей среды при транспортировке сжиженных газов

С разработкой эффективных способов сжижения газов (аммиака, этилена, метана, кислорода и др.) возникла проблема транспортировки этих продуктов на значительные расстояния. Наиболее выгодна доставка сжиженных газов по магистральным продуктопроводам (аммиакопроводам, этиленопроводам и др.). Такие трубопроводы проектируются и строятся как в СССР, так и за рубежом. Например, в

СССР построены этиленопроводы Нижнекамск Казань и Нижнекамск Уфа Стерлитамак Салават диаметром 219 мм протяженностью 262 и 453 км соответственно, аммиакопровод Тольятти Одесса диаметром 355,6 мм протяженностью около 2200 км.

Хотя трубопроводы для транспортировки сжиженных газов и не получили еще широкого распространения, однако в будущем, по мере решения имеющихся проблем технологического и конструктивного характера, их роль значительно возрастет, так как развитие трубопроводного транспорта сжиженных природных газов определяется прежде всего его экономичностью (они примерно в 3,5 4 раза дешевле по сравнению с обычными газопроводами). Вместе с тем высокая пожаро-, и взрывоопасность и токсичность сжиженных газов предопределяют необходимость разработки соответствующих мероприятий по уменьшению воздействий в процессе их транспортировки по трубопроводам.

Основная опасность сжиженных газов, выделяющихся при повреждении подводящих магистральных и распределительных трубопроводов, заключается в их высокой пожаро- и взрывоопасности, а также в их токсичности. Жидкие углеводороды характеризуются низкими диффузионной способностью и температурой воспламенения самовоспламенения, большим диапазоном температур воспламенения смеси паров и высокой температурой пламени при горении. При воспламенении сжиженных газов образуется область нестационарного быстрого горения, или детонации, фронт которой распространяется со сверхзвуковой скоростью и обладает огромной разрушительной силой. Так, в США в результате утечки пропана из поврежденного трубопровода выделилось 119 м3 сжиженного пропана. Через 5 мин с момента начала утечки образовалось облако из пропано-воздушной смеси на высоте 15 25 м от поверхности земли. При перемещении облака произошла вспышка и одновременно с этим возникла ударная волна, а затем огневой шторм. Взрывом были уничтожены строения в радиусе до 8 км.

При утечке жидкого аммиака из емкости (цистерны, резервуара) или трубопровода жидкая фаза, растекаясь по дневной поверхности, испаряется и образует аэрозольное облако так же, как и жидкие углеводороды. Размеры аэрозольного облака могут быть значительными в зависимости от количества разлившегося аммиака. Так, при утечке 700 т жидкого аммиака аэрозольное облако может покрыть территорию площадью 4 тыс. га. Лиственный покров деревьев под воздействием паров аммиака обесцвечивается, а вблизи места аварии на площади 4 3 га зелень полностью чернеет.

Пары аммиака в атмосфере загораются только от источника огня при температуре около 650 °С и концентрации в воздухе 15 28 об. %.

Эксплуатируемые трубопроводы для сжиженных газов проходят в основном по территориям освоенных районов, так как пункты сжижения газа и его потребления расположены вблизи промышленных центров. Например, этиленопроводы Нижнекамск Казань, Нижнекамск Уфа Стерлитамак Салават, Ленинварош (ВНР) Калуш (СССР). Построенный в последние годы аммиакопровод Тольятти Одесса пересекает ряд крупных областей, 120 водных преград и 150 автомобильных и железных дорог. Как уже отмечалось, основные потребители природного газа центральные промышленные районы страны. Это обстоятельство, а также свойства сжиженных газов предопределяют выбор технологических и конструктивных решений