Защита окружающей среды от нефтяного загрязнения

4.4. ЗАЩИТА ОКРУЖАЮЩЕЙ  СРЕДЫ ОТ НЕФТЯНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ

Предотвращение загрязнения  природной среды нефтью и продуктами ее переработки - одна из сложных и многоплановых проблем охраны природной среды.

В нефтегазодобывающей промышленности загрязнение водных объектов и почвогрунтов происходит в результате аварий при транспортировке нефти и нефтепродуктов, нарушении обваловок шламовых амбаров при строительстве скважин, паводках и подтоплении территории буровой в период интенсивного снеготаяния, при несоблюдении правил хранения нефти и горюче-смазочных материалов (ГСМ) в резервуарах (утечки) и нерачительном использовании углеводородного сырья. По этим причинам происходит неконтролируемое поступление нефти и нефтепродуктов в объекты природной среды.

Загрязнение нефтью природной  среды вызывает резкие ответные реакции во всех компонентах экосистемы, как в почве, так и в гидросфере. При попадании нефти в гидросферу происходят глубокие, часто необратимые изменения ее химических, физических, микробиологических свойств и даже иногда перестройка всего гидросферного профиля.

Известны методы удаления нефти и нефтепродуктов с больших водных поверхностей, но они требуют использования специальных устройств, дефицитных адсорбентов, являющихся в основном целевыми продуктами.

Способы борьбы с нефтяным загрязнением окружающей среды. При строительстве скважин нефть и нефтепродукты могут поступать в объекты природной среды в основном с жидкими, полужидкими и твердыми отходами бурения из шламовых амбаров при хранении в них отходов, при ликвидации амбаров, а также при аварийных выбросах нефти и газа в процессе бурения.

Нефть и нефтепродукты  в буровых сточных водах могут находиться в виде пленки, эмульсии и в растворенном состоянии. Процессы удаления каждого из указанных видов разлитой нефти не идентичны и представляют определенные трудности. Более сложен процесс удаления эмульгированной нефти, образующейся в результате механических и гидродинамических воздействий при перекачке загрязненных нефтью сточных вод насосными агрегатами, при движении в трубопроводах, различных устройствах и сооружениях буровой. Основной характеристикой эмульсий является дисперсность, которая определяется диаметром капель и удельной межфазной поверхностью, а также устойчивость, зависящая от дисперсности системы, физико-химических свойств эмульгаторов, образующих на поверхности раздела фаз адсорбционные защитные пленки.

Для удаления пленочной нефти  и нефтепродуктов с водных поверхностей шламовых амбаров или открытых водоемов требуется использование специальных устройств, дефицитных сорбентов. Однако степень очистки при этом не всегда достаточно высока. Применяют следующие методы ликвидации нефтяных загрязнений водных объектов и почвогрунтов: механические, физико-химические, химические, биохимические.

Механические  методы удаления нефти. Существуют различные методы сбора нефти с водной поверхности, начиная от вычерпывания нефти вручную до применения машинных комплексов нефтемусоросборщиков.

Предварительно осуществляют концентрирование и ограждение находящейся на водной поверхности нефти при помощи плавающих бонов. Конструкция бонового заграждения (рис. 4.72) состоит из плавучей, экранирующей и балластной частей [21]. Плавучая часть бона может быть выполнена в виде отдельных поплавков прямоугольного или круглого сечения. Экранирующая часть представляет собой гибкую или жесткую пластину, присоединенную к плавучей части бона и нагруженную для придания устойчивости балластной цепью, трубой или растяжками.

Рис. 4.72. Принципиальные конструкции бонов: 1 — поплавок; 2 — экран; 3 — растяжка; 4 — труба; 5 — гибкие трубки; 6 - цепь

Примером заграждения  подводного типа является пневматический барьер, принцип работы которого заключается в создании препятствий на поверхности воды при непрерывной подаче воздуха через перфорированную трубу, уложенную на дно водоема [102].

Борьба с пролитой нефтью на водоемах требует оборудования, которое может эффективно работать в разнообразных природных условиях, в том числе при наличии плавающего льда и мусора. Канадская нефтяная ассоциация и ее Общество по борьбе с пролитой нефтью совместно со службой охраны окружающей среды Канады провели ряд экспериментов с дивертором воздушных пузырьков и по разработке устройства, которое способствует сбору нефти с поверхности воды, когда насосы и скорость течения делают невозможным использование плавучих бонов [146]. Дивертор состоит из отрезков перфорированного шланга или трубы, которые укладывают по дну реки под углом 15 - 30° к течению. Сжатый воздух подается через перфорации из компрессора на берегу. За счет расположения дивертора под утлом нефть клином направляется к берегу, где она может быть собрана ковшом. Сбор плавающей нефти сначала проводили при помощи гибкого шланга из полихлорвинила, но от него отказались и стали использовать оцинкованную стальную трубу. При этом ликвидировалась потребность в якорях, а максимальная рабочая длина достигла 134 м вместо 30.

Дивертор представляет собой оцинкованную стальную трубу диаметром б см и состоит из звеньев, соединяемых замковым механизмом. Его собирают на берегу и устанавливают с помощью лебедки.

Для очистки поверхности  водоемов от загрязняющих веществ, в частности от нефти, во Франции разработаны и используются устройства "Циклон" [102]. Установленные по бортам судна, перемещающегося по загрязненной водной поверхности, устройства "Циклон" собирают и сепарируют загрязняющую жидкость. Эта установка может быть смонтирована на судах легкого типа (катерная, моторная лодка, надувная лодка).

Во ВНИИСПТнефти разработан, изготовлен, и испытан опытный  образец устройства для сбора нефти с поверхности воды при аварийных разливах на подводных переходных магистральных нефтепроводах судоходных рек [146]. В основу принципа работы механизмов нефтесборщика заложен эффект вихревой воронки. Несамоходный нефтесборщик состоит из заборного устройства, вспомогательного оборудования (мостик, переходные секции, две соединительные секции, мусорозаборник; боновое ограждение, состоящее из секций ограждения и якорных секций), собственно сборщика, пульта управления и передвижной электрической станции. Испытания, проведенные на р. Белой, показали, что производительность нефтесборщика по нефти зависит от толщины пленки плавающей нефти и при толщине 3,5 мм составляет 30 м³/ч. С увеличением толщины пленки нефти производительность возрастает.

Заслуживает внимания устройство для сбора нефти с поверхности воды (А.с. 1408019, МКИ Е 02В 15/04), которое поддерживается в плавучем состоянии за счет поплавков, и его передвижение осуществляется за счет вращения барабана приводом, расположенным в отсеке насосного агрегата. Устройство состоит из барабана типа "беличье колесо", нефтесборных воронок, осевой камеры, гибких шлангов, патрубка откачки нефти, бокового ограждения с шарниром, напорного трубопровода откачки нефти на берег. При вращении барабана нефтесборная воронка, шарнирно закрепленная на барабане, опускается вертикально вниз на поверхность воды, покрытой нефтью. Далее воронка отсекает пленочный слой нефти, который и собирается в верхней части воронки и откачивается на берег.

Предложено устройство для  сбора нерастворимых жидкостей с поверхности воды, включающее бесконечную ленту с ведомым и ведущим колесами, выполненный в виде перфорированного трубопровода механизм для очистки ленты с подсоединенной к нему установкой для подачи сжатого воздуха, малосборный лоток и привод (А.с. 1425272 СССР, МКИ Е02 В 14/04. Устройство для сбора нефти с поверхности водоемов). Устройство снабжено двумя высоко расположенными автономными валами, на которые насажены турбины. При этом один вал соединен с установкой для подачи сжатого воздуха, а другой — с ведущим колесом. Устройство снабжено дополнительным гидроприводом. Поскольку часть ведущего колеса предварительно заглублена в загрязненную воду, то при его вращении происходит сбор нерастворимой жидкости с поверхности воды сетчатой лентой с очисткой ее сжатым воздухом, поступающим через перфорированный трубопровод от работающего вентилятора. Уловленное масло сдувается в маслосборный лоток.

Устройство для сбора нефти с поверхности водоемов  (пат. 3965042 США, МКИ E02F 1/23) использует транспортер, установленный на плавучей платформе, нижняя часть движущейся ленты которого погружена в воду. При движении ленты через поверхность раздела вода - воздух находящаяся на поверхности нефть прилипает к ней и переносится вверх, где снимается с ленты специальным очистителем и поступает в банк-накопитель. Для увеличения захвата нефти она покрыта волокнистым материалом, так называемой "искусственной травой". К нижней части конвейера может быть прикреплен принудительно вращающийся барабан, способствующий поступлению нефти на конвейерную ленту.

Предложены метод и  устройство для удаления нефти с  поверхности воды следующей конструкции. В конце длинной фермы с  емкостями на концах для плавучести установлен сепаратор. Смонтированы экраны, которые направляют нефть к сепаратору, откуда загрязненная вода поступает в емкость (А.с. 1430356 СССР, МКИ C02F 1/23 . Способ очистки поверхности воды от нефти и нефтепродуктов).

Большое число методов  и устройств предлагается для  удаления нефти с больших акваторий (реки, моря, океаны) зарубежными специалистами. Французскими авторами запатентовано устройство для обработки верхнего слоя жидкости, представляющее собой плоскодонное судно, длина которого - 70 м, ширина - 20 м, высота - 6 м, осадка - 4 м. В носовой части корпуса на высоте судна расположены отверстия для забора загрязненной нефтью воды, которая поступает в центральный отсек, где происходит разделение воды и нефти (заявка 23,06123 Франция, МКИ 23 В 35/32, Е 02В 15/04. Плавучее устройство для обработки' верхнего слоя жидкости).

 Предлагается оборудование высокой производительности (до 150 т нефти в час) для сбора разлитой в море нефти, в частности нефтесборщики фирмы OMS типа APSB серии 2, длиной 22 м [222]. Существуют и другие подобные системы еще большей производительности - до 6000 м³/ч [220].

Известны также и комбинированные  способы, т.е. механический сбор нефти с поверхности воды, предварительно обработанной, например, ферромагнитной жидкостью (А.с. 1186549 СССР, МКИ В63В 35/32. Устройство для сбора нефти с поверхности воды).

Для сбора нефти с поверхности воды были предложены безнапорные гидроциклоны, конструкции которых разработаны в Новополоцком политехническом институте [96]. Безнапорный гидроциклон представляет собой цилиндроконический корпус с одним или несколькими входными каналами, расположенными в цилиндрической части. В нижней части корпуса тангенциально расположен патрубок отвода воды; внутри конусной части - патрубок отвода уловленных нефтепродуктов. Безнапорные гидроциклоны с несколькими входными каналами предпочтительнее использовать для сбора нефтепродуктов с поверхности неподвижной жидкости. В проведенных авторами [97] экспериментах безнапорный гидроциклон устанавливался в одну из песколовок перед нефтесборной трубой, причем входной канал был расположен навстречу потоку сточной воды. Глубина погружения аппарата регулировалась заполнением нефтяных "карманов" водой (конструкция гидроциклона предусматривает возможность работы аппарата на плаву за счет полных боковых "карманов"). Фиксирование гидроциклона осуществлялось трубопроводами, по которым производилось откачивание осветленной воды и уловленных нефтепродуктов. Работа безнапорного гидроциклона осуществляется следующим образом. После включения насосов вода с нефтяным слоем на поверхности поступает в гидроциклон. Постепенно нефтяной слой приобретает вращательное движение и скапливается в центре рабочего объема гидроциклона, откуда и откачивается по нефтесливному патрубку. Толщина удаляемого слоя нефти в проведенных экспериментах составляла 3 мм и более. Эффективность работы гидроциклонов зависит от их размещения на обрабатываемой акватории, причем предпочтительнее размещение в шахматном порядке. Откачивание нефтепродуктов может производиться как насосами, так и самотеком. Важно в процессе сбора нефти с поверхности воды постоянно поддерживать рабочий орган по отбору нефти на глубине, равной высоте пленки нефтепродуктов. Для этого используются поплавки, поддерживающие на плаву нефтесборочное устройство, выполненное в форме несимметричного эллипсоида.

К механическим способам следует  отнести фильтрование загрязненных вод через сернистые насыпные и намывные фильтры. Простейшим устройством для очистки загрязненных вод является песчаный фильтр, где используется кварцевый песок крупностью 0,5 - 2,0 мм с высотой слоя 1 м. В таких устройствах допускается использование дробленого антрацита, керамзита, керамической крошки [194]. Фильтрация происходит сверху вниз со скоростью 5 - 10 м/ч, остаточная концентрация нефтепродуктов в очищенной воде составляет 10 - 20 мг/л, при начальном ее содержании 40 - 80 мг/л [163].

Ныне находит применение метод коалесценции нефтепродуктов при фильтровании эмульсий через различные пористые материалы — гранулированный полиэтилен и вспененный гранулированный полистирол [163].

Физико-химические методы удаления нефти. К ним следует отнести применение адсорбирующих материалов. В качестве адсорбентов применяют пенополиуретан, угольную пыль, резиновую крошку, древесные опилки, пемзу, торф, торфяной мох и т.п. Используют даже солому, которая в зависимости от сорта нефти адсорбирует ее в количестве, в 8 - 30 раз превышающем свою массу. Используют губчатый материал из полиуретановой пены, который хорошо впитывает нефть и продолжает плавать после адсорбции [120]. По расчетным данным, 1 м³ полиуретанового открытопористого пенопласта может сорбировать с поверхности воды около 700 кг нефти.

Перечисленные ранее механические устройства недостаточно эффективны ввиду непродолжительного контакта их поверхности с нефтью. Для увеличения контакта применяют свободные синтетические полотнища, способные хорошо адсорбировать нефть. Впитавшие нефть полотнища затем пропускают через отжимные валики для отделения нефти (пат. 1197605, 1344564, 3754663 США). Американская компания "Conveel" выпускает поглотительные покрывала, изготовленные из водостойкого растительного волокна, армированного пластмассовой сеткой, способные адсорбировать 10-15-кратное количество нефти. Недостатки механических методов - низкая производительность, зависящая от толщины нефтяной пленки, и невысокая степень очистки (не более 80 %).

При сборке и нейтрализации  нефти с помощью гранулированных порошкообразных адсорбентов, распыляемых на нефтяную пленку, применяют материалы органического и неорганического происхождения, предварительно обработанные гидрофобизаторами, вспученные перлит, вермикулит, пемзу и другие материалы; вспененные полистирольные гранулы, стружку фенольного пенопласта.

Эффективным сорбентом (исследования американской фирмы Shell) являются гранулы полиуретанового пенопласта. Они адсорбируют нефть в количествах, более чем в 20 раз превосходящих собственную массу. Используют также материалы, изготовленные из ацетата Na, расплава полиэтилена с парафином, древесные опилки и др. Эти сорбенты поглощают 15 - 19-кратное количество нефти. Все эти материалы уступают пластмассовым микробаллонам (пламилону), поглощающим количество нефти, в 40 раз превышающее их собственную массу.