Аналитический обзор методов удаления нефтепродуктов с поверхности воды

Размещено на http://www.allbest.ru/

Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России

Аналитический обзор методов удаления нефтепродуктов с поверхности воды

Кропотова Наталья Анатольевна, кандидат наук, преподаватель

Аннотация

В статье рассмотрены следующие методы удаления нефтепродуктов с поверхности воды: ручной, термический, физико-химический, механический и микробиологический. Анализ эффективности использования приведенных методов позволил определить подход к проведению работ по локализации и ликвидации нефтепродуктов с поверхности воды.

В настоящее время проблема загрязнения водных объектов является наиболее актуальной. Понимая всю важность роли воды в жизни, общество все равно продолжает жестко эксплуатировать водные объекты, безвозвратно изменяя их естественный режим сбросами и отходами. С развитием цивилизации цикл биосферы постепенно нарушается: увеличилось испарение с суши, реки южных районов обмелели, загрязнение океанов и появление на его поверхности нефтяной пленки уменьшило количество воды, испаряемой океаном, и многое другое. Техногенные аварии приводят к катастрофическому состоянию окружающей среды. Поэтому в данной статье будут рассмотрены наиболее актуальные вопросы защиты окружающей среды: методы удаления нефтепродуктов с поверхности воды, которые, как правило, происходят при аварийных ситуациях, создавая угрозу пожарной безопасности судов и эксплуатируемой техники.

При аварийном разливе нефтепродуктов по водной поверхности решаются три основные задачи: локализация, сбор и удаление нефтепродуктов с поверхности воды. Причем все они должны решаться быстро, так как с потерей времени решение их осложняется вследствие того, что в попавшей в водоемы нефтепродуктов происходит химическое и биологическое окисление, испарение наиболее легких фракций и т.д. Окисляются и испаряются в основном легкие фракции -- от керосина до смазочных масел среднего удельного веса, что приводит к накоплению в воде тяжелых трудноокисляемых фракций нефтепродуктов, которые впоследствии образуют донное загрязнение.

Локализация и ликвидация аварийных разливов нефтепродуктов предусматривает выполнение многофункционального комплекса задач, реализацию различных методов и использование технических средств. Классификация существующих методов сбора нефтепродуктов с поверхности воды, принятая по данным [1], приведена на рис. 1.

Рисунок 1. Классификация методов сбора нефтепродуктов с поверхности воды

Оценка существующих методов позволяет выбрать наиболее эффективный и перспективный. Остановимся на них подробнее:

1. Ручной метод, применяется при очистке загрязнении отмелей, береговой кромки и почвы. Для очистки используют ручные инструменты, такие как ведра, лопаты или сети. В случае загрязнения зарослей и травы может так же применяться промывка струями воды с последующим сбором и очисткой промывочной воды;

2. Термический метод, один из самых первых способов ликвидации разлива нефти и нефтепродуктов. Основан на выжигании слоя нефти, применяется при достаточной толщине слоя и непосредственно после загрязнения, до образования эмульсий с водой. Его используют в сочетании с другими методами ликвидации разлива при толщине пленки нефтепродукта более 3 мм, скорости ветра менее 35 км/ч, безопасном расстоянии до 10 км от места сжигания по направлению ветра. При использовании необходимо применение дополнительных противопожарных мер.

Достоинства способа:

· быстрая ликвидация аварийного разлива нефтепродукта;

· применение малого количества технических средств;

· минимальные затраты.

Недостатки связаны:

· с осуществлением дополнительных мер пожарной безопасности;

· с образованием из-за неполного сгорания нефтепродукта стойких канцерогенных веществ;

3. При физико-химическом методе при обработке нефти химическими реагентами из воды удаляются тонкодисперсные и растворенные примеси и разрушаются органические и плохо окисляемые вещества нефти.

К основным видам физико-химического метода относятся:

· обработка нефтепродукта диспергентом,

· перевод нефтепродукта в эмульсионное состояние.

Обработка диспергентом применяется в тех случаях, когда механический сбор невозможен, например, при малой толщине пленки. Диспергенты представляют собой сложные химические препараты, ускоряющие растекание разлитых нефтепродуктов в виде тонкой пленки по водной поверхности, разрыв и рассеивание ее в толще воды на мелкие устойчивые капли. Применение их возможно при глубине свыше 10 м, температуре воды ниже 5 град и наружного воздуха ниже 10 град.

При значительной толщине пленки используют эмульгаторы и поверхностно-активные вещества, которые способны переводить нефть в эмульсии, ускорять процессы ее биохимического разрушения и даже ослаблять ее токсическое влияние.

К достоинствам физико-химического метода следует отнести:

· возможность оперативного проведения ликвидации разлива;

· использование диспергентов в сочетании с различными техническими средствами;

· минимальные расходы на хранение и транспортировку.

Недостатками являются:

· токсичность;

· ограниченность применения по температуре.

Применение диспергентов в некоторых случаях может наносить еще больший вред окружающей среде, чем компоненты нефти и нефтепродуктов, поскольку сами диспергенты обладают высокой проницающей способностью, тем самым они способны вызвать патологические изменения в организмах морских животных и растений, особенно арктических;

4. Механические методы наиболее эффективны и являются одним из основных методов ликвидации разлива нефти или тяжелых фракций нефтепродуктов. Основываются на извлечение нефти и его продуктов при помощи сорбентов, автономных средств сбора, самоходных судов нефтесборщиков.

Наибольшая продуктивность механического сбора нефтепродуктов достигается в первые часы после разлива. Это связано с тем, что в это время толщина слоя нефтепродукта на поверхности воды наибольшая. При малой толщине нефтяного слоя, большой площади его распространения и постоянном движении поверхностного слоя под воздействием ветра и течения отделение нефти от воды затрудняется. Кроме этого осложнения могут возникать из-за загрязнения водоемов всевозможным мусором, щепой, досками и другими предметами.

Для ликвидации разливов нефтепродуктов применяют методы извлечения нефти при помощи сорбентов. Для этого используют различные взаимодействующие с водой материалы, которые при взаимодействии с загрязненной водой впитывают нефтепродукт, образуя комья материала, насыщенного нефтью. При очистке водоемов материалы могут распыляться с берега, либо с борта плавсредства. После сорбции нефтепродуктов образованное соединение в зависимости от свойств сорбента либо собирают с водной поверхности и впоследствии утилизируют, либо оставляют в воде, при этом происходит его осаждение на дно водоема, где оно разлагается до экологически нейтральных соединений.

В настоящее время используют как натуральные, так и синтетические сорбенты. Среди сорбирующих материалов наиболее безопасными являются препараты, изготовленные на основе природных материалов: торфа, мха, рисовой шелухи, древесной муки и т.д. Данные препараты, не причиняют особого вреда экосистемам. Однако незначительная нефтеемкость (от 3 до 10 т/т), а также трудности, возникающие при их сборе, ставят под сомнение целесообразность их использования. Синтетические сорбенты имеют достаточно высокую нефтеемкость, но при этом возможен отрицательный экологический эффект, сложности утилизации и высокая стоимость.

Наряду с сорбентами для сбора нефтепродуктов применяют автономные средства сбора, позволяющие собирать нефтепродукт с берега или с помощью плавучих несамоходных системы, а также с помощью самоходных судов нефтесборщиков. Данные технические средства применяют при большей толщине слоя нефтепродукта на поверхности воды и не создают дополнительного загрязнения среды, что возможно при сборе с помощью сорбентов.

Применение механических методов возможно при соответствии технических характеристик используемых средств условиям разлива.

Их достоинствами являются:

· высокая эффективность при проведении работ;

· возможность сбора различных видов нефтепродуктов;

· всесезонное использование.

К недостаткам механических методов следует отнести:

· остаточная тонкая пленка нефтепродуктов на поверхности воды в местах механического сбора;

· затруднение сбора нефти во льду;

5. Микробиологический метод используется после применения механического и физико-химического методов для полного восстановления экосистемы. Микроорганизмы, вживаемые в водную среду, способствуют разложению нефтепродуктов. Микробиологический метод применяется как дополнительный при толщине пленки не менее 0,1 мм.

Достоинства метода:

· минимальный дополнительный ущерб от проведения операций по ликвидации разлива;

· биологические препараты не токсичны для водной фауны;

· их действие не зависит от метеорологических условий.

Недостатки вызваны:

· трудоемкостью сопроводительных мероприятий;

· продолжительными сроками ликвидации разлива.

В настоящее время существует общепринятый подход [2] к выбору метода сбора при реагировании на разлив или пролив нефтепродуктов:

1. Предпочтение должно отдаваться механическим средствам сбора тяжелых фракций нефтепродуктов с поверхности воды, если гидрометеоусловия на месте разлива или пролива позволяют их применять.

2. При ликвидации разливов свыше 1000 т должно рассматриваться комплексное применение всех методов ликвидации разливов (механический, физико-химический, биологический метод), т.к. практика показывает, что механические средства не позволяют собирать весь нефтепродукт.

3. Термический метод ликвидации разлива выбирается при опасности загрязнения особо ценных компонентов окружающей среды. Решение принимается только на основе анализа возможных последствий применения для района, подвергшегося или находящегося под угрозой загрязнения. Метод используется, в том случае если выясняется, что отказ от применения может привести к более опасным негативным последствиям для биоресурсов и для производственных и социальных объектов.

Для осуществления операций ликвидации разливов нефтепродуктов в замерзающих морях необходимо оборудование для ликвидации разливов, как на открытой воде, так и в ледовых условиях. Порядок действий для обеих ситуаций является одинаковым и включает три основных этапа:

1. обнаружение, прогноз и контроль поведения разлива;

2. локализацию пятна;

3. сбор нефти или нефтепродуктов / ликвидацию разлива.

Технико-технологические решения ликвидации разливов и проливов нефтепродуктов в ледовых условиях не рассматривались, но, тем не менее, угроза распространения нефтепродуктов под ледяным покровом остается. Дистанционное обнаружение нефти в ледовых условиях остается недостаточно надежным. Существенное изменение альбедо снежно-ледяной поверхности позволяет обнаружить загрязнение нефтепродуктами , однако наличие участков открытой воды при нарушениях сплошности ледяного покрова и снежницы на поверхности льда создают неравномерный фон, на котором выделение загрязненных районов затруднено. На полевых испытаниях удавалось собирать 20-40% разлитых нефтепродуктов, а в экспериментах по сжиганию уничтожалось до 75% объема разлива [3, 4]. Однако в реальных условиях успехом считается сбор 30% разлитой нефти и тяжелой фракции нефтепродуктов при среднем показателе 10-15% [5]. Поскольку локализация разлива не всегда возможна, ряд систем механического сбора предназначается для использования непосредственно с судов:

1. навесная нефтесборная система с ветвью бонов на выносной стреле;

2. спускаемый с борта скиммер (нефтесборщик) [6];

3. бортовые скиммеры (использование при движении судна);

4. выносные скиммеры (использование при движении судна) [7].

Проблематичным является сбор нефти, попадающей под ледовое покрытие (например, при порыве морского трубопровода или после изменения ледовых условий). Возможность ликвидации этих разливов связана с задачами обнаружения подледных скоплений нефти и обеспечением безопасной работы персонала на льду, а практика ликвидации таких разливов связана со вскрытием ледового покрова и применением традиционных методов сбора нефти. Для проведения таких операций рекомендуется контейнерный модуль с запасом оборудования, инструментов и материалов.

Таким образом, проведенный анализ методов удаления нефтепродуктов с поверхности воды приводит к заключению о состоянии нефтепродуктов в водах поверхностного стока, поскольку проливы нефтепродуктов более легких фракций может быть осуществлен в различных населенных районах. Как правило, нефтепродукты в водах поверхностного стока могут находиться в двух состояниях. Первое состояние -- эмульсионное, когда двухфазная жидкость представляет собой неоднородную систему, которая состоит из капель воды, распределенных между молекулами нефтепродуктов. Второе состояние -- стратифицированная жидкость, независимо от толщины нефти или ее продуктов на поверхности воды.

При эмульсионном состоянии нефти и нефтепродуктов в воде их выделение наиболее доступно следующими методами:

· сепарация в поле больших центробежных сил. Метод реализуется на центрифугах и характеризуется возможностью обработки лишь небольших объемов воды и высокими энергозатратами, что не позволяет использовать его при очистке вод поверхностного стока;

· фильтрование, как на напорных, так и на безнапорных фильтрах. Фильтры классифицируются по материалам, из которых они изготавливаются, по компоновке, по способу промывки и регенерации и т. д. Любой фильтрующий материал задерживает частицы, соизмеримые с диаметром ячеек на самом фильтре. Когда речь идет о задержании нефтепродуктов на фильтрах, необходимо рассматривать частицы в пределах нескольких десятков микрометров.

· метод гравитационной стратификации. Реализация метода гравитационной стратификации потока может быть осуществлена без специальных сооружений. Зная расходы жидкости, необходимо задать скорости потока, исключающие эмульгирование и обеспечивающие окончательное расслоение жидкости.

Второе состояние системы «нефтепродукты плюс вода», которое подлежит рассмотрению, -- это состояние стратифицированной жидкости. Ведь добившись стратификации жидкости в одном случае или имея это состояние как исходное в другом случае, мы должны собрать нефтепродукты с поверхности воды.

При стратифицированной жидкости собрать нефтепродукты с поверхности воды можно фильтрованием, адсорбцией, механическим сбором с использованием сил вязкости нефтепродуктов, а также сепарацией в поле слабых центробежных сил.

аварийный разлив нефтепродукт локализация

Список литературы

1. Семанов Г.Н. Разливы нефти в море и обеспечение готовности к реагированию на них / Г.Н. Семанов // Журн. Транспортная безопасность и технологии. СПб, ЗАО ЦНИИМФ. - 2005. №2.

2. Журавель В.И. Средства морского и берегового обеспечения предупреждения и ликвидации аварийных разливов углеводородов в условиях замерзающих морей / В.И. Журавель, М.Н. Мансуров, А.В. Маричев // Труды конференции «Управление рисками и устойчивое развитие единой системы газоснабжения России. - М., 2006. - С. 449-454.

3. Мансуров М.Н. Ликвидация аварийных разливов нефти в ледовых морях. М.Н. Мансуров, Г.А. Сурков, В.И. Журавель, А.В. Маричев. - М.: ИРЦ «Газпром», 2004. - 422 с.

4. Buist I. In Situ Burning of Oil Spills in Ice and Snow // Proc. Of Int. Oil and Ice Workshop 2000. - Anchorage.

5. Кропотова Н.А. Инновационное техническое решение бесконтактного управления процессами горения. / Н.А. Кропотова, В.Е. Иванов, Л.В. Кочетков, Е.Ю. Моисеева // Сб. статей III Международного научно-практического конкурса «Профессионал 2017». Пенза, 2017. - С. 20-25.

6. Журавель В.И. Анализ технических требований к судовым системам ликвидации разливов нефтепродуктов в условиях замерзающих морей. Нефтегазовое дело, 2007. Вып. 1. С. 1-15.

7. Пучков П.В. Магнитожидкостное уплотнение подшипника качения. / П.В. Пучков, А.В. Топоров, Н.А. Кропотова, И.А. Легкова. // Сборник научных трудов по материалам Международной научно-практической конференции «Наука и образование в социокультурном пространстве современного общества». В 3-х частях. - Смоленск. 2016. С. 33-35.

8. Топоров А.В. Применение методов конечных элементов для расчета магнитных систем магнитожидкостных устройств. / А.В. Топоров, Н.А. Кропотова, А.Н. Мальцев, Е.А. Топорова, К.М. Волкова. // Фундаментальные и прикладные вопросы науки и образования. Сборник научных трудов по материалам Международной научно-практической конференции 30 сентября 2016 г. Ч. 2. - Смоленск: ООО «Новаленсо», 2016. - 175. С. 54-56.

Размещено на Allbest.ru