Актуальность темы исследования. Приоритетными в современной природоохранной сфере считаются задачи обеспечения устойчивого функционирования и восстановления экосистем, нарушенных в процессе осуществления хозяйственной деятельности человека, в том числе связанной с добычей, транспортировкой, хранением, переработкой нефти и использованием нефтепродуктов. Восстановление природных объектов в условиях Арктики при загрязнении высокотоксичными нефтепродуктами, которые характеризуются низкой скоростью фото- и биодеградации, остаются серьезной экологической проблемой, угрожающей распространением в окружающей среде опасных компонентов, в частности, в подземных водах и пищевых цепях. Нефтяное загрязнение почв приводит не только к морфологическим и структурным изменениям, снижению плодородия, но и к изменению тонких механизмов функционирования почв, окислительно-восстановительных процессов, снижению активности почвенных ферментов и биоразнообразия микробных комплексов, что приводит к нарушению экологического баланса в наземных биомах, трансформации трофических звеньев естественных биогеоценозов или даже их гибели.
Существует немало технологий очистки нефтезагрязненных почв и почвогрунтов, применяющихся как in-situ, так и ex-situ. В последние несколько десятилетий ремедиация природных сред на основе современных биотехнологических методов, в частности, стимуляции природного комплекса нефтеокисляющих микроорганизмов (биостимуляция) и интродукции специальных штаммов и комплексных биопрепаратов (биоаугментация), вызывают все возрастающий интерес. Однако эти методы оказались достаточно специфичными, они эффективны лишь для небольшой категории нефтепродуктов, представленных легкими нефтяными углеводородами, к тому же зачастую не приспособлены к уникальным арктическим условиям. До настоящего времени на практике наиболее распространенными являются методы, основанные на термической и физико-химической обработке.
Ужесточение требований к внедрению экологически безопасных технологий и стремление к минимизации загрязнений приводят к необходимости повышения качества очистки загрязненных нефтепродуктами почв, почвогрунтов, нефтешламов, других природных и техногенных субстратов. Широкое распространение при этом находит использование физико-химических, в частности, реагентных, способов очистки. Промывка нефтезагрязненных субстратов горячими растворами реагентов - поверхностно-активными веществами (ПАВ), - согласно нормативным документам (ГОСТ Р 57447-2017 ИТС НДТ «Рекультивация земель и земельных участков, загрязнённых нефтью и нефтепродуктами» и Industrial Emission Directive 2010/75/EU (Final Draft 2017) «Best available Techniques (BAT) Reference Document for Waste Treatment»), относится к наилучшим доступным технологиям. Однако химические реагенты, применяющиеся для промывки отходов нефтяной индустрии, обладают потенциальным риском вторичного загрязнения объектов окружающей среды, что должно стать предметом глубокого изучения.
Степень разработанности темы. В настоящее время накоплен значительный опыт исследований, посвященных решению проблемы загрязнения почв Арктической зоны (А.А. Соловьянов, Е.В. Смиренникова, О.Е. Медведева, Ю.Г. Кутинов, Ю.И. Соколов, С.Г. Фокин, О.Д. Кононов, J. Gulinska, E. Yergeau, T. Gouin и др.). Также существует много работ в области применения поверхностно-активных веществ в процессах рекультивации земель, включающих изучение технологических и экологических аспектов данного метода (Е.М. Анчугова, М.Ю. Макарова, В.П. Мурыгина, А.Б. Курченко, М.Д. Плотникова, J. Mouton, Zh. Shi, A. Zubair, S. Mohanty, Sh. Lamichhane и др.). Однако, исследования возможности применения данного метода в условиях Арктики малочисленны и фрагментарны. В связи с этим, очевидна необходимость исследования технологической возможности и экологической безопасности использования поверхностно-активных веществ в процессах рекультивации нефтезагрязненных арктических почв.
Цели и задачи исследования
Цель исследования - установить технологические и экологические условия для обработки объектов техногенного загрязнения в Арктике.
Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующие задачи:
1. Для установления уровня нефтяного загрязнения провести экологический мониторинг территории нефункционирующей станции радиорелейной связи «Кама» (Ямало-Ненецкий автономный округ, западное побережье Обской губы).
2. Изучить физико-химические процессы обработки нефтезагрязненных почв поверхностно-активными веществами и установить их эффективность и экотоксикологические характеристики.
3. Изучить влияние реагентной обработки арктических почвогрунтов и нефтешламов на экосистемы с использованием биоиндикаторов.
4. Систематизировать условия экологически безопасного и эффективного способа обработки поверхностно-активными веществами нефтезагрязненных почв в Арктике.
Научная новизна. Заключается в разработке научно обоснованного комплекса теоретических положений, методических подходов и рекомендаций по использованию поверхностно-активных веществ для очистки и восстановления нарушенных нефтяным загрязнением арктических земель.
Новые научные результаты, полученные в диссертации:
- получены новые данные об уровнях нефтяного загрязнения земель, прилегающих к территории поселка Мыс Каменный; содержание нефтепродуктов до 124 г/кг превысило допустимые уровни, установленные для подобных природных арктических зон;
- установлен состав нефтяного загрязнения; выявлено, что на отдельных участках преобладают нефтяные углеводороды Сц...С2з нормального и изо-строения, включая изопрены, что подтверждает предположение о том, что источником загрязнения являлось дизельное топливо.
- впервые в результате многокритериального анализа фито-, биотоксичности и параметров изменения качества почв были установлены уровни экологической безопасности реагентов на основе ПАВ, применяемых для обработки нефтезагрязненных арктических почвогрунтов;
- определено, что не все реагенты, проявляющие моющие свойства в отношении нефтепродуктов, могут быть использованы для очистки уязвимых арктических почв; показано, что некоторые из них приводят к вымыванию гуминовых веществ, отвечающих за способность почв к восстановлению и к снижению каталазной активности почв;
- научно обоснован универсальный алгоритм принятия решения о выборе эффективных и экологически безопасных реагентов, который заключается в триадном принципе многокритериального сравнительного анализа реагентов на основе ПАВ.
Теоретическая и практическая значимость работы.
Обоснован многофакторный подход к оценке применимости в условиях Арктики и Крайнего Севера признанных экологически безопасными для других климатических зон технологий рекультивации нефтезагрязненных земель.
Выявлена необходимость дополнительной оценки экологических рисков использования реагентного метода рекультивации земель в условиях Арктики и Крайнего Севера ввиду ограниченности доступных инструментов государственного регулирования использования химических реагентов на основе ПАВ в процессах рекультивации и реабилитации нефтезагрязненных, в особенности уязвимых арктических, земель. Предложена новая методика, включающая алгоритм принятия решения о выборе экологически безопасного, эффективного ПАВ для целей реабилитации арктических территорий техногенного воздействия, включающий матрицу выбора технологии и ПАВ для обработки почвогрунтов и нефтешламов.
Выполнены инвентаризация объектов накопленного вреда окружающей среде, эколого-гидрогеологические, почвенные исследования территории, а также геоэкологическое опробование1 и оценка загрязненности почвогрунтов, поверхностных вод и донных отложений, а также лабораторные химико-аналитические исследования собранных образцов компонентов окружающей среды, данные которых являются основой разработки проекта ликвидации накопленного вреда.
Проведены испытания комбинированной технологии in-situ очистки нефтезагрязненных почв растворами ПАВ в районе п. Мыс Каменный, которые показали, что в течение экспедиционного периода содержание нефтепродуктов снизилось на (33,6±6,0)%, таким образом, данная технология может эффективно применяться для восстановления удаленных нарушенных арктических земель.
Результаты исследования применяются в учебном процессе при изучении дисциплины «Техника защиты окружающей среды».
Работа выполнялась в рамках научно-экспедиционных работ, включенных в перечень мероприятий программ комплексных научно-исследовательских арктических экспедиций «Ямал-Арктика 2018» и «Ямал-Арктика 2019».
Методология и методы исследования. В основу методологии исследований легли положения, разработанные З.С. Ежелевым, A. Zubair,
S. Mohanty, Sh. Lamichhane.
Изучение физико-химических, токсикологических и биологических характеристик объектов исследования выполнено на основе современных аналитических методик и принятых нормативных документов.
При проведении исследования были использованы следующие методы: полевые - визуальное обследование территории, отбор проб почв, поверхностных вод, донных отложений, растений; лабораторные - химические анализы почв, поверхностных вод, донных отложений, нефтешламов, исследование физических характеристик почвогрунтов, био- и фитотестирование растворов химических реагентов, почвогрунтов, нефтешламов; обработка результатов лабораторных исследований с использованием программных продуктов MS Excel, Logical Decisions v.7.2, Surfer 16 и методов математической статистики.
Положения, выносимые на защиту:
1. Результаты экологического мониторинга территории техногенного загрязнения, расположенной в Арктической зоне, которые позволили выявить границы участков накопленного вреда.
2. Результаты исследования эффективности и экотоксикологической безопасности применения поверхностно-активных веществ в процессах обработки почвогрунтов от нефтяного загрязнения.
3. Универсальный алгоритм принятия решения о выборе экологически безопасного и эффективного реагента на основе ПАВ для процессов обработки арктических почвогрунтов.
Степень достоверности и апробация результатов. Научные результаты выполненной работы обладают высокой степенью достоверности, что обеспечивается глубиной исследования основных концепций лидирующих отечественных и зарубежных научных групп изучаемой области: компиляцией разнообразных инструментов, способов и приемов научного исследования, применением методов математической статистики для определения правильности измерений.
Результаты оформлены в виде рецензируемых научных статей, получивших оценку специалистов в области экологии, почвоведения, экотоксикологии. Выводы, сделанные по результатам работы, прошли апробацию на научных конференциях и опубликованы в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ.
Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на XII Всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов «Новые технологии в газовой промышленности (газ, нефть, энергетика)» (Москва, 2017), 72-й международной молодежной научной конференции «Нефть и газ 2018» (Москва, 2018), V Международной научно-практической конференции (XIII Всероссийской научно-практической конференции) «Нефтепромысловая
химия» (Москва, 2018), VII Всероссийской научной конференции с международным участием «Гуминовые вещества в биосфере», посвященной 90-летию со дня рождения Дмитрия Сергеевича Орлова (Москва, 2018), IX Сибирской конференции молодых ученых по наукам о Земле (Москва, 2018), 4th Green & Sustainable Chemistry Conference (Дрезден, 2019), SETAC Europe 29th Annual Meeting in 2019 in Helsinki (Хельсинки, 2019), 6th Future Leaders Forum of the World Petroleum Council - VI WPC Youth Forum (Санкт-Петербург, 2019), VI Международной научно-практической конференции (XIII Всероссийской научно-практической конференции) «Нефтепромысловая химия» (Москва, 2019), International Conference on Oil & Gas (Сингапур, 2019), 2nd Euro-Mediterranean Conference for Environmental Integration EMCEI-2 (Сус, 2019).
Работа выполнена на кафедре промышленной экологии Российского государственного университета нефти и газа (национального исследовательского университета) имени И.М. Губкина в течение 2015 - 2019 гг., часть результатов была получена в рамках научного взаимодействия с Лабораторией экотоксикологического анализа почв факультета почвоведения МГУ имени М.В. Ломоносова, а также в Химической лаборатории подготовки и анализа горных жидких и твердых проб ТУ Фрайбергской горной академии в период прохождения стажировки в 2018 - 2019 гг. по программе «Иван Губкин», поддерживаемой совместно РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина и Немецкой службой академических обменов (DAAD). Экспедиционные работы проводились в летние периоды 2018 - 2019 гг. в рамках Соглашений
о сотрудничестве № 6.6/2018 от 15.06.2018 и № 6.17/2019 от 10.06.2019, заключенных между РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина и Некоммерческим партнерством «Российский центр освоения Арктики».
По материалам диссертации опубликовано 13 печатных работ, в том числе 5 публикаций в рецензируемых журналах, рекомендуемых ВАК:
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация изложена на 162 страницах, содержит 38 таблиц, 39 рисунков, состоит из введения, заключения, 5 глав, списка цитируемой литературы, включающего 214 источников, и 1 приложения.
результатам выполненной работы. Экспериментальные данные, представленные в диссертации, получены лично автором и опубликованы в соавторстве с научным руководителем, сотрудниками и студентами, работавшими совместно с автором при проведении исследований.

Купить