Биосфера и человек: структуры, экосистемы, взаимоотношения организма и среды; экология и здоровье человека

         Закачка промышленных стоков (жидких отходов) подземные воды широко применяется в ряде развитых стран, как способ борьбы с загрязнением окружающей среды (Гольдберг и др., 1994; Грабовников и др., 1999; Рыбальченко и др., 1994). Закачка токсических стоков регулируется в каждой стране своей законодательной базой. Разрешение на эксплуатацию объектов закачки промстоков выдаются в том случае, если представлены прогнозные расчеты. подтверждающие безопасность закачки и гарантирующие определенные время локализации стоков в пределах выбранных участков горизонтов подземных вод. Выполнение таких прогнозов базируется на моделирование процессов, протекающих в период закачки и в последующее время, в течение которого оценивается потенциальная опасность закачиваемых стоков для человека.

        Наиболее распространена закачка водных растворов, когда закачиваемый флюид отличается по химической композиции и физическим свойством от пластовой воды, но при этом в поровом пространстве присутствует только одна жидкая фаза - водный раствор. При закачке растворов за счет существенной разницы физических и химических свойств закачиваемого флюида и пластовой воды могут развиваться связанные процессы (coupled processes) фильтрации с массо - и теплопереносом в подземных водах. Вместе с тем во многих случаях возможно использование постановки контаминационных расчетов без учета влияния миграционных процессов на характеристику геофильтрационных процессов.

         Закачка сточной (подтоварной) воды обратно в пласт. При добыче нефти на поверхность вместе с ней извлекаются большие объемы пластовой высокоминерализованной воды, в ней могут содержаться весьма вредные для здоровья людей и окружающей живой природы сероводород и углекислый газ (содержание H2S в воздухе свыше 3 мг/м3 опасно для жизни людей).

Сброс пластовых вод без тщательной их очистки в открытые водоемы  и реки может привести к полному  уничтожению флоры и фауны. Поэтому извлеченную на поверхность пластовую воду необходимо как можно лучше отделить от нефти и закачать ее снова в пласт через нагнетательные или специально пробуренные поглощающие скважины. Если пластовая вода закачивается в поглощающие скважины, то необходимо предусмотреть, чтобы не было возможности ее контакта в этих горизонтах с водами, добываемыми для хозяйственных и промышленных нужд.

           Биологические методы также применимы для очистки сточных вод нефтяной промышленности. Для этого применяют аэрируемые системы биоочистки с активным илом, содержащим адаптированное к компонентам нефти микробное сообщество. Скорость деградации зависит от качественного состава и концентрации углеводородов, а также температуры и степени аэрации среды. Наиболее эффективно биодеградация осуществляется, когда нефть эмульгирована в воде.

          Термическая обработка осадков сточных вод. Проблема утилизации промышленных сточных вод сводится далеко не только к методам их очистки. Необходим и поиск совершенных технологий переработки осадков жидких отходов, обеспечивающих природоохранные и ресурсосберегающие требования.

      Механическая очистка сточных вод, как правило, является предварительным этапом для очистки промышленных сточных вод. При этом обеспечиваются выделение незначительной доли взвешенных веществ и снижение загрязнения.

        Высокая эффективность процесса достигается интенсификацией гравитационного отстаивания, затем пропуском сточных вод через слой различных зернистых материалов или через сетчатые барабанные, напорные фильтры или фильтры с плавающей нагрузкой и без добавления химических реагентов и с использованием фильтровальных материалов.

Физико-химические методы очистки  сточных вод пригодны для использования  на предприятиях различных отраслей и могут применяться как самостоятельно, так и в комплексе с другими способами очистки и переработки сточных вод.

        Методы коагуляции и флокуляции могут применяться на предприятиях химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей, легкой промышленности.

В качестве одного из перспективных  методов выделения из сточных  вод взвешенных веществ могут  быть использованы конструкции и  методы флотации.

         Флотация применима для удаления ПАУ, нефтепродуктов и масел, волокнистых компонентов. Наиболее широкий диапазон в технологических схемах очистки сточных вод имеет принцип напорной флотации. Для очистки вод с высокой концентрацией нерастворенных загрязнителей и содержащих нефть и нефтепродукты целесообразно внедрение в эксплуатацию импеллерных установок, которые обеспечивают высокую эффективность очистки.

        На современном этапе развития науки и техники биоочистка является основным и наиболее перспективным методом удаления загрязнений из сточных вод, т.к. обеспечивает достаточно глубокий распад веществ и основан на использовании природных процессов и катализаторов.

Среди биологической очистки наибольшее распространение получил аэробный метод, который постоянно продолжает совершенствоваться. Постоянно разрабатываются  новые типы агрегатов, модифицируются существующие конструкции.

         Проблема полной очистки производственных стоков от растворенных в воде органических веществ,  является одной из наиболее важных и одновременно трудно решаемых. Несмотря на огромное число отечественных и зарубежных разработок, данную проблему нельзя считать решенной. Причин этому несколько. Во-первых, многообразие систем по химическому составу и условиям образования и существования требует проведения индивидуальных исследований для каждого конкретного случая, что не всегда возможно. Во-вторых, технология достаточно полной очистки воды, как правило, диктует соблюдение особых условий, которые трудно выполнимы на практике. В-третьих, многие эффективные способы глубокой очистки сопряжены с большими экономическими и ресурсными затратами, использованием дефицитных реагентов с последующей их регенерацией, утилизацией или захоронением отходов; и для некоторых предприятий все это выполнить очень сложно. Поэтому поиск новых эффективных способов очистки промышленных сточных вод является по-прежнему актуальным.

         Положительные и отрицательные  факторы ПАВ (поверхностно-активных веществ) при увеличении добычи нефти за счет добавки в нагнетательную воду. Химические свойства ПАВ и связанные с ними особенности охраны окружающей среды.

     ПАВ (поверхностно-активные  вещества),  используемые  для  модификации фильтратов  буровых  растворов,  в  различных  геологических  условиях  могут действовать  по-разному. Так,  анионные  ПАВ  или  комбинации  на  основе анионактивных  веществ,  положительно  меняя  многие  свойства  фильтрата бурового раствора, тем не менее, могут гидрофилизировать поверхность поровых каналов.  Кроме  того,  наблюдается  образование  осадков  при  контакте анионактивных  веществ  с  пластовыми  водами  или  фильтратами  цементных растворов.  Вследствие  всего  этого  уменьшается  фазовая  проницаемость коллектора для углеводородной жидкости.

         Таким  образом,  жидкости  ГКЖ  при  повышенных  концентрациях  в буровых  растворах  естественно  увеличивают их  щелочность,  в результате  негативно влияют  на:  качество  строительства ствола  скважины;  наработку глинистого раствора; качество вскрытия продуктивных горизонтов. В то же время они улучшают  смазывающие свойства  раствора,  что  влияет  на  повышение показателей  работы  долота,  а  также  позволяют  регулировать  структурно-реологические  свойства  раствора  в  благоприятном  направлении,  особенно  в композиции  со  смазочной  добавкой. Кроме  того,  при  определенных  дозировках ГКЖ  приводят  к  усилению  ингибирующих  свойств  дисперсионнной  среды  раствора.  Более  того,  жидкости  ГКЖ  в  малых  концентрациях  необходимы  для  гидрофобизации  в  полимиктовом  коллекторе  участков  с  карбонатами.  Вместе  с  тем, ГКЖ не вызывает повышенного вспенивания глинистого раствора даже при  создании условий его инициирования.

       Высокомолекулярные водорастворимые ПАВ, помимо использования в указанных выше технологических  процессах, применяют как флокулянты в различных видах водоочистки. С их помощью из сточных и технологических вод, а также из питьевой воды удаляют загрязнения, находящиеся во взвешенном состоянии.

      Поверхностно-активные вещества ПАВ - это вещества, адсорбирующиеся на поверхности раздела двух фаз и образующие на ней слой повышенной концентрации. Однако в понятие «поверхностно-активные вещества» (ПАВ) обычно вкладывают более узкий смысл, относя его лишь к группе органических соединений, адсорбция которых из их растворов даже очень малой концентрации приводит к резкому снижению поверхностного (межфазного) натяжения на поверхности раздела раствора с газом (паром), др. жидкостью или твердым телом.

       Каждая молекула типичных ПАВ имеет олеофильную, или липофильную, часть (один или несколько углеводородных радикалов) и гидрофильную часть (одну или несколько полярных групп). Т.е. поверхностная активность ПАВ, растворенных в углеводородных жидкостях, обусловлена гидрофильными группами, а растворенных в воде - олеофильными (гидрофобными) радикалами.

         По типу гидрофильных групп ПАВ делят на ионные, или ионогенные, и неионные, или неионогенные. Ионогенные ПАВ диссоциируют в растворе на ионы, одни из которых обладают адсорбционной активностью, другие (противоионы) - адсорбционно не активны. Если адсорбционно активны анионы, ПАВ называют анионными, или анионоактивными, в противоположном случае - катионными, или катионо-активными. Некоторые ПАВ содержат как кислотные, так и основные группы; такие ПАВ обладают амфотерными свойствами, Их называют амфотерными, или анфолитными, ПАВ. Неионогенные ПАВ не диссоциируют при растворении на ноны; носителями гидрофильности в них обычно являются гидроксильные группы и полигликолевые цепи различной длины.

        Существуют также ПАВ, в которых наряду с неионогенными гидрофильными атомными группами присутствуют ионогенные.

 В отдельный класс выделяют  фторуглеродные ПАВ - соединения  с полным или частичным замещением  атомов водорода в гидрофобных  радикалах на атомы фтора.

              Все ПАВ можно разделить на две категории по типу систем, образуемых ими при взаимодействии с растворителем. К одной категории относятся мицеллообразующие (полуколлоидные, мылоподобные) ПАВ, к другой - не образующие мицелл. ПАВ первой категории в растворе выше некоторой (определенной для каждого вещества) «критической» концентрации образуют мицеллы, т. е. молекулярные или ионные ассоциаты с числом молекул (ионов) от нескольких десятков до нескольких сотен. Ниже критической концентрации мицеллообразования (ККМ) вещество находится в истинно растворенном состоянии, а выше ККМ - как в истинно растворенном, так и в мицеллярном.

             Мицеллы ПАВ находятся в обратимом термодинамическом равновесии с молекулами; при разбавлении раствора они распадаются, а при увеличении концентрации вновь возникают. Обычно такие растворы обладают моющей способностью. ПАП второй категории не образуют мицелл ни в растворах, ни в адсорбционных слоях. При любой концентрации они находятся в истинно растворенном состоянии.

Свойства поверхностно-активных веществ (ПАВ)

Основной количественной характеристикой ПАВ является поверхностная активность — способность вещества снижать поверхностное натяжение на границе раздела фаз — это производная поверхностного натяжения по концентрации ПАВ при стремлении С к нулю. Однако, ПАВ имеет предел растворимости (так называемую критическую концентрацию мицеллообразования или ККМ), с достижением которого при добавлении ПАВ в раствор концентрация на границе раздела фаз остается постоянной, но в то же время происходит самоорганизация молекул ПАВ в объёмном растворе (мицеллообразование или агрегация). В результате такой агрегации образуются так называемые мицеллы. Отличительным признаком мицеллообразования служит помутнение раствора ПАВ. Водные растворы ПАВ, при мицеллообразовании также приобретают голубоватый оттенок (студенистый оттенок) за счет преломления света мицеллами.

Образование мицелл происходит в узком  интервале концентраций, который  становится уже и определенней по мере удлинения гидрофобных радикалов.  Простейшие мицеллы типичных полуколлоидпых ПАВ, например солей жирных кисло, при концентрациях, не слишком превышающих ККМ, имеют сфероидальную форму.

     Свойства ПАВ. С  ростом концентрации ПАВ анизометричных  мицелл сопровождается резким  возрастанием структурной вязкости, приводящей в некоторых случаях к гелеебреаованию, т.е. полной потере текучести.

 ККМ - важный технологический  показатель. Его можно определять  различными методами, т.к. в области  ККМ более или менее резко  меняются многие физико-химические  свойства системы ККМ находят  по характерным изменениям поверхностного натяжения, светорассеяния, электропроводности, вязкости, диффузии, солюбилизации, спектральных характеристик раствора и т.д.

      ГЛБ - условная  и чисто эмпирическая характеристика, не претендующая на универсальность.

     Очень специфичны по свойствам фтортензиды, неполярная часть молекулы которых образована фторуглеродными цепями. Вследствие слабого межмолекулярного взаимодействия низкомолекулярные фторуглероды обладают чрезвычайно малой поверхностной энергией.

 Особенность фторуглеводородных ПАВ - соединений с фторуглеродными и углеводородными радикалами - высокая поверхностная активность в неполярных органических жидкостях с низкой поверхностной энергией. Адсорбционный слой перфторированных ПАВ на твердой поверхности, ориентированный фторуглеродными радикалами наружу, снижает критическое поверхностное натяжение смачивания до значений меньших, чем поверхностное натяжение углеводородных жидкостей. Это значит, что такая поверхность становится не только гидрофобной, но и олеофобной, то есть не смачиваемой маслами и другими жидкими углеводородами. Фторуглеродные цепи, вследствие высокой энергии межатомной (внутримолекулярной) связи, химически инертны и термостойки.

        Поверхностно-активные вещества, применяемые в нефтяной и других отраслях промышленности, в настоящее время являются одними из наиболее распространенных загрязнений объектов окружающей среды. Это относится прежде всего к водным ресурсам, где среди химических загрязнений водоемов ПАВ занимают одно из ведущих мест.Поверхностно-активные вещества неблагоприятно влияют, а иногда делают невозможной очистку сточных вод общепринятыми методами. Поверхностно-активные вещества препятствуют обессоливанию сточных вод методом ионного обмена и электродиализа. Поверхностно-активные вещества рекомендуется полностью утилизировать путем захоронения в глубокозалегающие пласты.