• Сегодня: Суббота, Октябрь 21, 2017

Системный подход к защите окружающей среды в промышленно развитых регионах

Инженерные работы на заболоченном участке

Аннотация

В статье приводятся подробные статистические данные о воздействии различных отраслей промышленности на окружающую среду и о крупнейших источниках загрязнения сточных вод. Также анализируются причины отсутствия положительной динамики в данной сфере и предлагается системный подход и ряд конкретных технологий переработки буровых шламов, водонефтяных эмульсий и донных отложений. Особое внимание уделено защите почв и подземных вод от отходов нефтедобывающих предприятий.


Федеральный Закон «Об охране окружающей среды» предусматривает регулирование негативного воздействия хозяйственной деятельности на окружающую среду за счет применения наилучших доступных технологий. Внедрение таких технологий должно вестись поэтапно с учетом влияния видов экономической деятельности на окружающую среду и возможности инвестирования в модернизацию технологических процессов.

По совокупному воздействию на окружающую среду, включая выбросы и сбросы загрязняющих веществ и образование отходов, виды экономической деятельности распределяются в порядке убывания следующим образом:

  1. Добыча топливно-энергетических ископаемых;
  2. Сбор, очистка и распределение воды;
  3. Добыча других полезных ископаемых;
  4. Металлургическое производство;
  5. Производство электроэнергии, газа, пара и горячей воды;
  6. Транспорт и связь;
  7. Химическое производство;
  8. Производство кокса и нефтепродуктов;
  9. Другие.

Указанные виды экономической деятельности следует отнести к приоритетным. Россия является одним из лидеров в области добычи углеводородов. Весь жизненный цикл углеводородов, включающий их добычу, переработку, транспорт и использование, связан с образованием жидких, газообразных и твердых отходов производства, которые существенным образом влияют на окружающую среду. При этом возникает множество проблем, связанных с необходимостью реанимации поверхностных и подземных водных объектов, ликвидации нефтешламов и буровых шламов, рекультивации нефтезагрязненных грунтов.

По данным статотчетности за 2015 г., наиболее крупными источниками сброса загрязненных сточных вод по виду деятельности «Производство нефтепродуктов» являются:

  1. ОАО «Ангарская нефтехимическая компания – 90 млн м3/год;
  2. ОАО «Салаватнефтеоргсинтез» – 36 млн м3/год;
  3. ОАО «Орскнефтеоргсинтез» – 31 млн м3/год;
  4. ОАО «Уфанефтехим» – 15 млн м3/год.

Структура сброса сточных вод предприятий химии и нефтехимии следующая:

  1. Сброс без очистки – 16,7%;
  2. Недостаточно очищенные – 68,8%;
  3. Нормативно очищенные – 9,6%;
  4. Нормативно чистые – 4,9%, т.е. сброс нормативно чистых вод не превышает 5%.

Сброс загрязняющих веществ в поверхностные водные объекты в 2000 г. по предприятиям нефтедобычи, нефтехимии, нефтепереработки, угольной и газовой промышленности составил:

  1. БПКП – 4,3 тыс. т/год;
  2. Нефтепродукты – 0,14 тыс. т/ год;
  3. Сульфаты – 180 тыс. т/год;
  4. Хлориды – 74 тыс. т/год;
  5. Азот аммонийный – 504 тыс. т/год;
  6. Нитраты – 6409 тыс. т/год;
  7. Фенолы – 1,3 тыс. т/год;
  8. СПАВ – 82 тыс. т/год;
  9. Алюминий – 8,8 тыс. т/год;
  10. Железо – 283 тыс. т/год;
  11. Медь – 3,4 тыс. т/год;
  12. Цинк – 7,1 тыс. т/год.

Из этих данных следует, что сточные воды содержат высокие концентрации растворенных и эмульгированных органических веществ, ионов металлов, биогенных элементов, которые оказывают существенное влияние на водные объекты. Так, например, по республике Башкортостан в 2010 г. в водные объекты было сброшено следующее количество недостаточно очищенных производственных сточных вод по отраслям промышленности [3]:

  1. электроэнергетика – 134 млн м3/год;
  2. химия и нефтехимия – 110 млн м3/год;
  3. топливная промышленность – 45 млн м3/год;
  4. металлургическая – 16 млн м3/год.

Система мониторинга ОАО «Башнефть» выявила устойчивую тенденцию превышения ПДКрх в многочисленных водных объектах на территории Республики Башкортостан [4]:

  1. по хлоридам – до 18 раз;
  2. по сульфатам – до 9 раз;
  3. по магнию – до 3 раз;
  4. по железу – до 72 раз;
  5. по нефтепродуктам – до 60 раз.

Многочисленные факты загрязнения установлены как для поверхностных водных объектов, относящихся к категории «грязных» и «очень грязных», так и для подземных водных объектов, степень загрязнения которых является «опасной» [4].

Масса образованных отходов в химии и нефтехимии в РФ (2000 г.) и степень их утилизации следующая [2]:

  1. образование токсичных отходов – 13,5 млн. т/год;
  2. использование – 1,6 млн. т/год;
  3. обезвреживание – 0,6 млн. т/год.

Это объясняется как отсутствием методов воздействия на предприятия-загрязнители, так и отсутствием доступных технологий переработки отходов производства. За 30 лет деятельности крупных нефтехимических и нефтеперерабатывающих предприятий размещены в накопителях шламовые отходы [5]:

  1. нефтешламы – 450 тыс. т;
  2. золошлаки ТЭЦ НПЗ – 150 тыс. т;
  3. шлаки химводоочистки – 140 тыс. т;
  4. осадки биологических сооружений – 62 тыс. т;
  5. осадки механической очистки сточных вод – 35 тыс. т.

Это далеко не полный перечень отходов химии, нефтехимии, нефтепереработки, нефтегазодобычи I-III класса опасности. В последние годы появилась новая проблема, связанная с воздействием, которое предприятия нефтехимии и нефтепереработки оказывают на окружающую среду. Специфическим видом такого воздействия является формирование в грунтах промплощадок скоплений нефтепродуктов, образование устойчивых техногенных потоков водонефтяных эмульсий и их разгрузка в водные объекты. При этом содержание нефтепродуктов на участке разгрузки составило 3,4-6,3 ПДК, а в донных отложениях – 34,9 ПДК [6].

Приведенные факты заставляют задуматься о причинах, порождающих отсутствие положительной динамики изменения состояния окружающей среды, в то время как в рамках страны составляются многочисленные краткосрочные и долгосрочные программы по охране окружающей среды, проводятся выставки и конференции, ужесточаются нормативные требования к сбросу и выбросу загрязняющих веществ, усиливаются межведомственные и отраслевые системы мониторинга.

Основная причина сложившейся ситуации заключается в том, что все экологические программы составляются по отраслевому принципу, т.е. нефтехимия должна решать свои проблемы, птицефабрики – свои и т.д. Такая ситуация – тупиковая. Другая причина – многочисленные формальные требования к участникам торгов, когда побеждают не владельцы технологий, а «случайные фирмы». Не является ли парадоксальным требование залоговых сумм от научных школ вузов – владельцев технологий?

Единственно правильным направлением решения экологических проблем является системный региональный подход, когда в технологию утилизации твердых отходов вовлекается большая часть отходов различных производств, когда составляются схемы комплексного использования водных ресурсов без сброса сточных вод в водные объекты, когда реализуются интенсивные технологии биотермической переработки твердых бытовых отходов, когда реанимируются водные объекты и т.д.

Система инженерной защиты окружающей среды в промышленном регионе с топливно-энергетическим комплексом представлена на рисунке.

Система инженерной защиты окружающей среды
Система инженерной защиты окружающей среды

На схеме показаны предприятия нефтедобычи, химии и нефтехимии с сооружениями очистки сточных вод, с накопителями буровых шламов, нефтешламов и осадков сточных вод.

Существенный вклад в загрязнение грунтов и грунтовых вод вносят многочисленные буровые и нефтяные шламовые амбары, которые частично ликвидируются, но, к сожалению, с недостаточной скоростью. Это можно объяснить несовершенством существующих технологий переработки шламов. На наш взгляд, жизнеспособной будет та технология, которая позволит получить из них товарную продукцию.

Нами предложена технология переработки буровых шламов с получением керамзита и каталитических гранулированных материалов. Керамзит нашел широкое применение для изготовления керамзитно-бетонных блоков. Каталитические материалы перспективны для применения в технологии глубокой очистки сточных вод от растворённых органических веществ [7], а также в технологии переработки нефтешламов для ускорения процесса компостирования [8].

Каталитические свойства изготовленных материалов определяются содержанием активных материалов, их оптимальная концентрация должна быть не менее 10 %. В том случае, когда в исходном сырье концентрация активных металлов меньше оптимальной, необходимо применять активные добавки из хвостохранилища горнообогатительных комбинатов [9].

Для переработки водонефтяных эмульсий, накопленных в амбарах, перспективным направлением следует считать процесс выпаривания [10].

Легкие нефтепродукты направляются на переработку или используются в качестве котельного топлива, тяжелый остаток, в зависимости от режима пропарки, является топочным мазутом либо сырьём для получения битума.

С этой целью разработана и внедрена технология переработки нефтешламов, включающая его экскавацию, транспортировку и выпаривание воды и лёгких фракции углеводородов.

Отделившаяся вода подается на сооружения глубокой очистки для удаления оставшихся эмульгированных нефтепродуктов. Сооружения состоят из гидрофобно-коалесцирующего фильтра и трех ступеней фильтрования в зернистых и сорбционных материалах.

Преимуществом установки очистки сточных вод по сравнению с известными решениями являются:

  • отсутствие сбросного коллектора для выпуска очищенных вод в водоём;
  • высокий эффект очистки сточных вод от взвешенных веществ (92…98%) и нефтепродуктов (98…99%);
  • малые эксплуатационные затраты на обслуживание установки (2 регенерации в течении 1 года);
  • дешевизна гидрофобного фильтрующего материала и простота его утилизации после использования.

Для переработки твердых нефтешламов рациональным с экологических позиций следует считать метод биодеструкции нефтяных углеводородов с применением штамма нефтеокисляющих бактерий [8].

Параметры процесса исследованы в условиях переработки нефтешлама на промышленном полигоне. В результате переработки нефтешлама получена товарная продукция в виде рекультивационных материалов либо в виде почвогрунтов сельскохозяйственного назначения.

Специфическим видом многолетнего воздействия предприятий нефтехимического комплекса на природные объекты является формирование скоплений нефтяных углеводородов в грунтах промплощадок. Как правило, такие явления проявляются в поймах рек. В грунтах промплощадок, имеющих естественный уклон в сторону водных объектов, наблюдается устойчивый процесс фильтрования водонефтяной эмульсии в направлении к водному объекту. Так, в районе г. Салават установлен факт разгрузки нефтепродуктов в реку Белая [11]. Концентрация нефтепродуктов в реке варьировалась от 1 до 6 ПДКрх, достигая максимально 92 ПДКрх.

Наиболее уязвимыми в экологическом отношении являются донные отложения. Концентрация нефтепродуктов в них превышает фоновую в 18 раз, концентрация ароматических углеводородов – в 40 раз, концентрация бенз(а)пирена – в 55 раз. Восстановление качества нефтезагрязненных на большую глубину грунтов относится к наиболее сложным проблемам, решение которой дано в [11]. Грунты промываются водным раствором ПАВ с помощью нагнетательных и эксплуатационных скважин. Продукция эксплуатационных скважин подлежит разделению на нефть и воду, после чего вода после корректировки концентрации ПАВ вновь закачивается в скважины.

Предприятия нефтехимии относятся к водоемким производствам, поэтому территориально находятся вблизи водных объектов, которые являются одновременно источниками водоснабжения и приемниками недостаточно очищенных сточных вод. Очистка сточных вод производится на биологических сооружениях, которые существенно снижают концентрацию органических и минеральных загрязняющих веществ, однако ПДКрх не достигается по фосфор- и азотосодержащими веществами, тяжелыми металлам, БПК. Для доочистки сточных вод целесообразно применение инновационных методов, например, электрохимического фильтрования в зернистых минеральных загрузках [12]. Сущность метода заключается в размещении электрохимических источников тока в теле фильтра. Источники тока поляризуют гранулы фильтрующего материала, за счёт чего существенно увеличивается эффективность извлечения диспергированных твердых и жидких частиц, увеличивается активность фильтрующих, сорбирующих и каталитических материалов [9, 12].

Особое внимание следует уделить нефтедобывающим предприятиям. Добыча нефти на большинстве месторождений ведётся с поддержанием пластового давления (ППД). Качество закачиваемых вод регламентируется отраслевым стандартом ОСТ-39-225-88 [13], санитарными правилами СП 2.1.5.1059-01 [14] и гигиеническими нормативами ГН 2.1.5.1315-03 [15].

В пластовых водах нефтяных месторождений установлена устойчивая тенденция роста концентрации таких загрязняющих веществ, как металлы, сероводород, гидросуфид-ион, сульфиды металлов и др. По классификации СП 2.1.5.1059-01, степень влияния на качество подземных вод нефтедобычи определяется как «опасная». Самыми распространенными видами загрязнений для нефтяных месторождений, согласно этому документу. являются: нефтепродукты, хлориды, фенолы, СПАВ, ртуть, марганец, железо.

К приоритетным загрязняющим веществам следует отнести бор, бром, йод, цинк, хром, стронций, литий, свинец, медь, цезий, рубидий. Многие из этих веществ находятся в промышленной концентрации, позволяющей осуществить комплексную переработку пластовых вод.

В результате некачественной подготовки вод для использования в системе ППД произошло множество случаев загрязнения пресных пластовых и поверхностных вод. Источниками загрязнения водных объектов являются утечки из скважин, перетоки пластовых вод в водоносные горизонты через затрубное пространство, некачественная ликвидация скважин, фильтрование пластовых вод к поверхности под действием градиента давления.

Результаты мониторинга водной среды на северо-западе республики Башкортостан подтверждают факт негативного влияния объектов нефтедобычи Арланского месторождения на поверхностные и подземные водные объекты, а также на донные отложения данной территории [16].
Нами разработаны технологии очистки пресных вод для системы ППД [17], а также технологии очистки нефтепромысловых и подтоварных вод для системы ППД нефтяных месторождений [18-20], внедрение которых существенно улучшит экологическую обстановку в регионе.

Наибольшая проблема в экологическом плане заключается в реанимации водотоков. Мы предполагаем, что оптимальным решением для очистки воды в водотоках является применение геохимических барьеров. Геохимические барьеры – это участки земной коры, в которых на коротком расстоянии происходит резкое уменьшение интенсивности миграции химических элементов и, как следствие, их концентрации. Из природных материалов наиболее широкое применение для геохимических барьеров нашли карбонаты (кальций, доломит, магнезит) [21].

В качестве фильтрующего материала нами выбран силицированный кальцит, относящийся к карбонатным породам. Для увеличения проницаемости геохимического барьера использована крупная фракция 5-20 мм. Силицированный кальцит обладает щелочными свойствами, поэтому вблизи зерен породы происходит интенсивное образование гидроксидов тяжелых металлов, обладающих низкой растворимостью, и выпадение их в осадок. Другой механизм извлечения металлов заключается в обмене ионов кальция минеральных гранул на ионы металлов, находящихся в воде, с образованием карбонатов металла. Эффект очистки природных вод геохимическим барьером от металлов изменяется от 78 до 98 % в зависимости от типа металла.

Таким образом, разработанная система инженерной защиты природных объектов представляется эффективной при разработке перспективных планов предприятий нефтедобычи, нефтепереработки и нефтехимии по восстановлению качества водных объектов, рекультивации нефтезагрязненных земель, утилизации буровых и нефтяных шламов. В технологический цикл утилизации шламов вовлекается крупнотоннажные отходы других производств, что повышает экобезопасность объектов народного хозяйства. Реализация предложенных технологий утилизации отходов производства позволит получить товарную продукцию в виде почвогрунтов, строительных и каталитических материалов, воды для заводнения коллекторов нефти.


Литература

1. Ощепкова А.З., Фоминых С.П. Основы формирования областей применения наилучших доступных технологий // Экология и промышленность России. – №8. – 2012. – С. 32-37.
2. Назаров В.Д., Аксенов В.И., Назаров М.В. Водное хозяйство промышленных предприятий: Справочное издание: Книга 5 / Под ред. В.И. Аксенова. – М.: Теплотехник, 2010. – 439 с.
3. Управление водохозяйственными комплексами Республики Башкортостан/ Под ред. Горячева В.С., Малмыгина А.С. – Уфа: Инеш. 2012. – 488 с.
4. Ахметов Т.О., Назаров В.Д., Горячев В.С. Мониторинг качества воды на территории бассейна р. Кама по зоне деятельности Арланского нефтяного месторождения РБ // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. № 11. – 2013. – С. 16-21.
5. Тупицына О.В., Чертес К.Л., Быков Д.Е. Освоение природно-техногенных систем градопромышленных агломераций: монография. Самара: ООО «Издательство Ас Гард», 2014. – 336 с.
6. Назаров В.Д., Назаров М.В., Разумов В.Ю., Галинуров И.Р. Рекультивация нефтезагрязненных грунтов // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. № 9. – 2013. – С. 5-9.
7. Патент на ПМ № 128832. Фильтр для каталитической очистки природных и сточных вод от органических загрязнений/ Назаров В.Д., Назаров М.В., Разумов В.Ю. / Заяв. 11.10.2012, Опуб. 10.06.2013, Бюл. № 16.
8. Чертес К.Л., Назаров В.Д., Назаров М.В., Тупицына О.В., Галинуров И.Р., Разумов В.Ю. Технология переработки нефтешламов / Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. №6, 2013 – С 35-40.
9. Патент на ПМ № 136359. Сорбционно-каталитический фильтр. / Назаров В.Д., Назаров М.В., Сидорова О.А., Федорова В.Е., Заяв. 27.03.13. Опуб. 10.01.14. Бюл. №1
10. Назаров В.Д., Назаров М.В., Разумов В.Ю. Опыт подготовки нефтешламовых амбаров к рекультивации / Оборудование и технологии для нефтегазового комплекса. №2, 2012. – С 63-68.
11. Назаров В.Д., Назаров М.В., Разумов В.Ю., Галинуров И.Р. Рекультивация нефтезагрязненных грунтов / Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. № 9, 2013. – С. 5-9.
12. Назаров М.В. Очистка природных и сточных вод электрохимическим фильтрованием / Вестник СГАСУ: Градостроительство и архитектура. №1. 2013. – С 51-60.
13. ОСТ 39-2255-88. Вода для заводнения нефтяных пластов. Требования к качеству – М: Миннефтепром.1990 – 8 с.
14. СП2.1.5.1059-01. Гигиенические требования к охране подземных вод от загрязнения – М.: ФЦ госсанэпиднадзора Минздрава России, 2001. – 20 с.
15. ГН 2.1.5.1315-03. ПДК химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования. -М.: Минздрав России 2003.
16. Ахметов Т.О., Назаров В.Д., Горячев В.С., Мониторинг качества территории бассейна реки Камы по зоне деятельности Арланского нефтяного месторождения Республики Башкортостан. Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе № 11, 2013. – С. 16-21.
17. Патент на ПМ № 90433. Устройство для очистки пресных вод для системы ППД нефтяных месторождений / Назаров В.Д., Назаров М.В. / Заяв. 20.05.09, Опуб. 10.01.10, Бюл. № 1.
18. Патент № 2325330. Способ подготовки пластовых вод для системы ППД и устройство для его осуществления / Назаров В.Д., Назаров М.В., Заяв. 10.04.06, Опуб. 27.05.08, Бюл. № 15.
19. Патент на ПМ № 90434. Устройство для очистки нефтепромысловых вод для системы ППД нефтяных месторождений / Назаров В.Д., Назаров М.В.,Зенцов В.Н. / Заяв. 20.05.09. Опуб. 10.01.10. Бюл. №3.
20. Патент на ПМ № 120645. Устройство для подготовки нефтепромысловых вод для системы ППД нефтяных месторождений / Назаров В.Д., Назаров М.В., Вайншток П.Н. / Заяв. 27.04.12, Опуб. 27.09.12, Бюл. № 27.
21. Баюрова Ю.Л., Нестеров Д.П., Корнеева Е.А. и др. Искусственные геохимические барьеры для решения экологических и технологических задач / Вестник МГТУ, т. 16, №3, 2013. С.536-541.

Максим Назаров

Старший научный сотрудник ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет»
к.т.н., директор ООО «МИП УГНТУ АКВИТА»