Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова
Факультет почвоведения
Кафедра земельных ресурсов и оценки почв
«Оценка экологического качества почвоподобных объектов, сформированных на основе мелиорированных буровых шламов»
Работу выполнила
Студентка 4 курса
Экологическая экспертиза
Михайлюк Анастасия
Научный руководитель
Кандидат биологических наук
Горленко Анастасия Сергеевна
Москва, 2013
СОДЕРЖАНИЕ
|
[1] ВВЕДЕНИЕ [2] Глава 1 Современные представления о негативном воздействии буровых шламов на окружающую среду и путях предотвращения этого воздействия [2.1] 1.1. Происхождение бурового шлама [2.1.1] 1.3.2 Использование мелиорантов [2.2] 1.4 Буровой шлам как почвоподобный объект двухфазной тонкодисперсной системы [2.2.1] 1.4.1. Почвоподобные тела [2.2.2] 1.4.2. Физическая организация бурового шлама, как почвоподобного тела [2.3] 1.5. Биотестирование как один из методов оценки воздействия на окружающую среду [2.4] 1.6. Выводы к главе 1 [3] Глава 2 Объекты и методы исследования [3.0.1] 2.1. Объект исследования: буровой шлам и почвоподобные тела на его основе [3.1] 2.2. Методы [3.1.1] 2.2.1. Определение физических показателей в пробах: относительная деформация просадочности и относительная деформация набухания [3.1.2] 2.2.2. Определение токсичности образцов методом биотестирования [3.1.3] 2.2.3. Определение массовой доли нефтепродуктов и хлоридов в исследуемых образцах [3.1.4] 2.2.4. Определение фитотоксичности образцов [4] Глава 3 Результаты и обсуждение [4.1] Исследование физических показателей [4.2] 3.4. Исследования образцов на фитотоксичность [5] ВЫВОДЫ [6] ЗАКЛЮЧЕНИЕ [7] ЛИТЕРАТУРА |
Современный мир трудно представить без такого ценного сырья как нефть. Добыча нефти и связанного с ней газа, составляющая единую нефтегазовую отрасль, является не только основой мощного топливно-энергетического комплекса России, но и главным источником валютных поступлений, ведущим компонентом бюджета страны.
Нефтедобыча – сложный производственный процесс, включающий в себя геологоразведку, бурение скважин и их ремонт, очистку добытой нефти от воды, серы, парафина и многое другое. В результате образуется многочисленные производственные отходы, в том числе буровой шлам.
Актуальность темы:
Негативное воздействие любых промышленных отходов складывается из таких аспектов как отчуждение земель, используемых для размещения и хранения отходов, нерациональное использование природных ресурсов, миграция загрязняющих веществ в природные объекты. На сегодняшний день классификация отходов весьма обширна. Для каждого из них данные аспекты негативного влияния могут выражаться по-разному с преобладанием или отсутствием того или иного.
Буровой шлам – водная суспензия, твердая фаза которой представлена продуктами разрушенных пород забоя и стенок скважины.
Буровой шлам оказывает влияние на окружающую природную среду и ее компоненты: размещение отходов бурения в шламовых амбарах обуславливает отчуждение земель, необходимых под их обустройство (около 100-1000 га на каждом месторождении); неиспользование бурового шлама как возможного грунта для землеустроительных работ обуславливает необходимость разработки песчаных карьеров; содержание загрязняющих веществ от бурового раствора создает риск загрязнения компонентов природной среды сопредельных со шламовым амбаром территорий. Отходы бурения в своем составе содержат остатки применяемого при бурении бурового раствора: нефть, легкорастворимые соли, высокая щелочность. Кроме того БШ в силу содержания остатков бурового раствора, задачи которого обеспечить нахождение выбуриваемых частиц во взвешенном состоянии в жидкой фазе, обладают резко выраженными неблагоприятными водно-физическими свойствами: повышенная дисперсность, раздельно-частичное состояние, повышенная набухаемость, постоянная обводненность.
Именно неблагоприятные водно-физические свойства являются препятствием на пути эффективного и безопасного вовлечения буровых шламов в биологический круговорот. Обводненость и бесструктурность бурового шлама определяют его механическую неустойчивость как почвообразующей породы и затрудняют заселение шламовых амбаров высшими растениями.
В настоящее время актуально применение методов мелиорации водно-физических свойств буровых шламов, направленных на снижение негативного воздействия буровых шламов: переработка бурового шлама в продукт, который мог бы выступать в качестве техногенного грунта (почвоподобного объекта), используемого для рекультивации нарушенных земель, определяя тем самым снижение потребления природных грунтов для тех же целей. Возможность использования бурового шлама в свою очередь решит проблему отчуждения земель под обустройство шламовых амбаров и миграцию из них загрязняющих веществ в компоненты природной среды прилегающих территорий. Но использование бурового шлама для производства техногенных грунтов (почвоподобного объекта) дожно обеспчивать формирования почвоподобного тела, обладающего механической усточивостью по отношению к давлению внешних факторов и отсутствием негативного воздействия на компоненты природной среды.
Поэтому целью настоящего исследования явилось:
Изучение влияния мелиоративных добавок на улучшение свойств бурового шлама и их влияние на биотический отклик.
Задачи:
Практическая значимость:
Результаты постановки эксперимента позволяют оценить возможность восстановления шламовых амбаров с учетом использования максимального количества бурового шлама и минимального количества мелиорантов.
Нефтедобыча — подотрасль нефтяной промышленности, отрасль экономики, занимающаяся добычей природного полезного ископаемого — нефти.
Нефтедобыча — сложный производственный процесс, включающий в себя геологоразведку, бурение скважин и их ремонт, очистку добытой нефти от воды, серы, парафина и многое другое (Булатов В.И., 2004).
Процесс бурения представляет собой процесс образования горной выработки, преимущественно круглого сечения, путем разрушения горных пород главным образом буровым инструментом с удалением продуктов разрушения (Вадецкий Ю.В. , 2003).
При бурении и эксплуатации скважин происходит нарушение и загрязнение ландшафтов, прилегающих к буровым площадкам. Основными источниками воздействия выступают строительно-монтажные работы, а также отходы бурения:
Проведение буровых работ оказывает значительную техногенную нагрузку на все компоненты окружающей среды. Наибольшему техногенному воздействию подвергаются природные экосистемы на территориях складирования отходов бурения, что является следствием несовершенства технологий бурения и утилизации буровых шламов. Размещение же в объектах природной среды отходов бурения, содержащих токсичные вещества, являются основными причинами прогрессирующего ухудшения качества окружающей среды в районах ведения буровых работ.
В настоящее время только на территории Западной Сибири образуется более 100 тысяч тонн бурового шлама в год. Расходы предприятий топливно-энергетического комплекса на обезвреживание и утилизацию буровых шламов, рекультивацию шламовых амбаров ежегодно составляют миллиарды рублей.
Буровой шлам - водная суспензия, твердая фаза которой представлена продуктами разрушенных горных пород забоя и стенок скважины, продуктами истирания бурового снаряда и обсадных труб, глинистыми минералами (при промывке глинистым раствором).
Состав шлама в значительной степени зависит от типа горных пород, через которые проходит скважина. В шламах находятся грубые и крупные частицы минералов и горных пород с размерами до нескольких сантиметров. При оценке токсичности шламов решающую роль играет присутствие в нем нефтяных углеводородов, токсичных компонентов буровых растворов и тяжелых металлов.
Присутствие в шламах нефти неизбежно при использовании буровых растворов на нефтяной основе. Концентрация нефтяных углеводородов в таких шламах составляет до 100 г/кг. Шламы, полученные при работе с водяными буровыми растворами, содержат следовые количества нефти.
Повышенное по сравнению с фоном содержание тяжелых металлов возникает в результате введения в буровые растворы барита с примесями металлов и некоторых компонентов, содержащих железо и хром.
Загрязняющие свойства бурового шлама обусловлены минеральным составом выбуренной породы и остающимися в ней остатками бурового раствора. Анализ фазового, фракционного и компонентного состава шлама, а также его физико-химических свойств показывает, что за счет адсорбции на поверхности частиц шлама химических реагентов, используемых для обработки буровых растворов и входящих в его состав, он проявляет ярко выраженные загрязняющие свойства. Также выбуренная порода накапливает в процессе бурения нижних горизонтов сырую нефть и ее фракции. Таким образом, в его составе отмечается значительное содержание нефтепродуктов, органических соединений, опасных для объектов природной среды, растворимых минеральных солей. Всё перечисленное предопределяет высокую экологическую опасность отходов бурения.
В настоящее время отсутствует убедительные данные по оценке уровня
загрязненности отходов бурения. Загрязняющий потенциал отходов бурения
обусловлен, главным образом, используемыми материалами и химическими реагентами. Номенклатура и ассортимент материалов и химреагентов достаточно велик (см. табл. 1.1). В связи с тем, что практически полностью химические реагенты и материалы переходят в отходы бурения, становится понятной высокая экологическая опасность отходов. Так, в среднем, на 1 м3 отходов, как показывают расчеты, приходится до 68 кг токсичных органических соединений, не считая нефтепродуктов и загрязнителей минеральной природы.
Таблица 1.1
Примерные объемы (тыс.т.) ежегодного поступления в объекты природной среды некоторых материалов и химреагентов с отходами бурения
|
Материалы и химические реагенты |
Годы |
|||
|
2000 |
2003 |
2005 |
2007 |
|
|
КМЦ и его аналоги |
0,19 |
0,22 |
0,25 |
0,22 |
|
Акриловые полимеры (М-14, Метас, НР-5 и др.) |
0,078 |
0,084 |
0,102 |
0,136 |
|
ОЭЦ |
0,010 |
0,011 |
0,012 |
0,012 |
|
Кремнийорганические жидкости (ГКЖ-10, ГКЖ-11, Петросил-2м) |
0,321 |
0,344 |
0,408 |
0,444 |
|
Комплексоны (НТФ) |
0,022 |
0,023 |
0,028 |
0,032 |
|
Сода кальцинированная |
0,132 |
0,137 |
0,159 |
0,159 |
|
Сода каустическая |
0,077 |
0,084 |
0,098 |
0,104 |
|
Лигносульфонаты (окзил, ФХЛС) |
4,766 |
5,163 |
4,592 |
5,166 |
|
Полиакриламид и аналоги |
0,040 |
0,040 |
0,049 |
0,054 |
|
Гуматные реагенты |
4,302 |
4,646 |
5,427 |
4,524 |
|
Триксан |
- |
0,02 |
0,021 |
0,025 |
|
Нефть и её производные |
61,162 |
66,893 |
70,629 |
64,281 |
|
Хромпик |
0,008 |
0,009 |
0,012 |
0,014 |
|
Другие реагенты |
38,280 |
41,760 |
42,630 |
30,885 |
Понятие "буровые растворы" охватывает широкий круг жидких, суспензионных и аэрированных сред, назначением которых является обеспечение безопасности ведения работ при высокой скорости бурения и выполнение заключительных операций по выводу и консервации скважины.
Буровой раствор, прежде всего, должен:
Обязательным компонентом любого бурового раствора всегда является бентонит (монтриморилонитовая глина). Действие этого компонента объясняется особенностями его физико-химической природы, взаимодействием с дисперсной средой с образованием в ней устойчивых коллоидных систем. В химическом отношении глина представляет собой водные алюмосиликаты, содержащие окислы железа, щелочных металлов (натрия, калия), алюминия, щелочно-земельных металлов кальция, магния. Аномально высокие пластовые давления, встречающиеся при бурении в осложненных геологических условиях, зачастую превышают гидростатическое давление бурового раствора. Поэтому буровой раствор необходимо утяжелять. Применяется баритовый утяжелитель.
Поверхностно-активные вещества (ПАВ) относятся к реагентам, снижающим поверхностное натяжение на трехфазной границе "пласт -вода - нефть". Главным назначение ПАВ является поддержание естественной проницаемости коллекторов. Проникновение в последние буровых растворов и их фильтратов резко снижает продуктивность скважин и значительно растягивает сроки их освоения. В качестве ПАВ используются различные вещества: сульфанол, дисолван, карбозолин, стеа-рокс, азолят и различные оксиэтилированные спирты. Недостатком ПАВ является интенсивная адсорбция их на твердой фазе буровых растворов.
Для дегазации буровых растворов используют реагенты-пеногасители: соасток, гарболинеум, сивушное масло, полиметилсилосалы, солидол, синтетические жирные кислоты.
Для поддержания постоянной плотности бурового раствора используют реагенты-понизители водоотдачи (углещелочной реагент, карбоксиметилцеллюлоза, конденсированная сульфит-спиртовая барда, гидролизованный полиакриламид), и понизители вязкости (феррохромлигносульфонат, нитролигнин, сунил, игетан).
Кроме того применяются вещества - термостабилизаторы, струк-турообразователи, смазочные добавки, эмульгаторы и другие компоненты. В качестве регулятора щелочности применяется - каустическая сода.
Каустическая сода (NaOH) - бесцветная кристаллическая масса, хорошо растворимая в воде с выделением большого количества тепла. Небольшие добавки щелочи вызывают временное диспергирование частиц глины, увеличение электрокинетического потенциала и, как следствие этого, снижение вязкости и водоотдачи бурового раствора.
В целом, состав бурового раствора зависит от его назначения, типа пород и метода бурения. Различают аэрированные, меловые, известковые, карбонатно-глинистые, сульфитные, минерализованные, гипсовые, амолинатные, каливые и другие виды буровых растворов (Вадецкий Ю.В., 2003).
Буровой раствор - это наиболее опасный отход добычи. Токсичность бурового раствора объясняется наличием в его составе разнообразных органических и минеральных компонентов, добавленных в раствор для придания ему тех или иных требуемых при бурении свойств. Вследствие контакта с буровым раствором токсичность приобретает буровой шлам и буровые сточные воды. Хранящиеся компоненты бурового раствора токсичны сами по себе.
Химический состав бурового шлама зависит как от его минерального состава, так и свойств бурового раствора, состав которого варьирует в зависимости от осуществляемых видов работ при бурении и требуемых заданных свойств бурового раствора.
Буровые шламы, главным образом, состоят из смеси глинистого минерала каолина с кварцем. Другие минералы содержатся в заметно меньшем количестве. Присутствие каолина связано со значительным содержанием в буровом растворе бентонитовых глин. Кварц является основным компонентом выбуриваемых горных пород. Кальцит в виде мела попадает в шлам из бурового раствора.
Содержание воды может составлять до 70 % влажной массы БШ. Химический и минералогический состав твердой фазы БШ представлен оксидами:
также органические соединения: полисахариды (целлюлоза и ее производные) и нефтяные углеводороды (до 10-15% при загрязнении). Из биофильных макро- и микроэлементов БШ содержат С, N, Ca, K, P, S. (Пепелов И.Л., 2011)
Были изучены данные анализов химического состава буровых шламов, полученных АНО «Экотерра». По результатам можно сделать следующий вывод, что состав основной части бурового шлама зависит от состава слагающих пород территории, на которой ведется нефтедобыча. Содержание нефти и компонентов бурового раствора зависят применяемого бурового раствора и его рецептуры, очистки бурового раствора и степени отделения бурового шлама от бурового раствора.
В таблице приведены результаты химического анализа бурового шлама, которые получены в результате применения разных технологий бурений и использования буровых растворов (табл.1.2.):
Таблица 1.2.
Химический анализ буровых шламов
на примере разных технологий бурения
|
Природно-климатическая зона |
Западная Сибирь (таежная зона) |
субарктическая зона Западной Сибири (северная тайга) |
территория Северо-Европейской части РФ (лесотундра, тундра) |
||
|
технология бурения |
Технология многократного использования очищаемого бурового раствора, приготовленного по малоопасной рецептуре |
флокуляционная установка |
|||
|
Компонент бурового шлама |
содержание, мг/кг |
||||
|
Оксид натрия |
13200 |
6000 |
- |
||
|
Оксид калия |
22900 |
12000 |
23300 |
||
|
Оксид магния |
25400 |
11500 |
- |
||
|
Оксид кальция |
10100 |
11000 |
57500 |
||
|
Оксид алюминия |
192000 |
88100 |
131600 |
||
|
Оксид кремния |
563000 |
310800 |
176500 |
||
|
Оксид фосфора |
1600 |
410 |
27000 |
||
|
Сера |
560 |
4000 |
41000 |
||
|
Оксид титана |
10300 |
4300 |
9600 |
||
|
Оксид марганца |
1300 |
290 |
1600 |
||
|
Оксид железа |
82700 |
33900 |
75200 |
||
|
Никель |
60 |
36 |
400 |
||
|
Цинк |
120 |
160 |
300 |
||
|
Хром |
91 |
60 |
500 |
||
|
Свинец |
24 |
- |
- |
||
|
Медь |
- |
180 |
2100 |
||
|
Стронций |
170 |
100 |
400 |
||
|
Цирконий |
190 |
80 |
- |
||
|
Барий |
560 |
7801 |
- |
||
|
Хлорид |
110 |
220 |
- |
||
|
Вода |
64700 |
380000 |
258000 |
||
|
Органические компоненты |
16900 |
134000 |
149030 |
||
|
в т.ч. |
|||||
|
Нефтяные углеводороды летучие С6-С9 |
3100 |
||||
|
Высококипящие >С10 |
3600 |
||||
|
Эфироизвлекаемые (жиры, масла) |
10300 |
||||
|
Ароматические углеводороды (летучие одноядерные) |
900 |
||||
|
Нелетучие (двух и более ядерные) |
1500 |
||||
|
нефтяные углеводороды (Суммарно) |
800 |
27000 |
Табличные данные АНО «Экотерры» наглядно демонстрируют, как варьируется содержание тех или иных компонентов бурового шлама в зависимости от тех или иных условий.
Следует обратить внимание на высокую щелочность водных вытяжек буровых шламов, создаваемую компонентами бурового раствора. Погребение шлама под слоем торфа способствует сохранению высокого уровня щелочности. Такие условия не совместимы с жизнью ни одного растения. Открытость же шлама воздействию внешней среды быстро снижает уровень щелочности до отметок, приемлемых для заселения растений.
Буровые шламы характеризуются высоким содержанием Na, Ca и К как в поглощенном состоянии так и в водной вытяжке. Известно, что высокое содержание натрия в солонцах и солонцеватых почвах обуславливает формирование ряда неблагоприятных свойств. Академик К.К. Геройц описывал свойства солонцов: «… с постепенным возрастанием количества поглощенного Na будут постепенно же нарастать указанные физические свойства: повышаться величина и прочность структурных элементов в сухом состоянии, и бесструктурность, вязкость и клейкость – во влажном состоянии почвы» (Гедройц К.К., 1928) Такое поведение характерно и для буровых отходов. Натрий легко вытесняется из поглощающего комплекса гидроксидным анионом, который является сильным пептизирующим агентом. Буровые шламы следовало бы отнести к солонцам, если б они были почвами. (Пепелов И.Л., 2011)
Неблагоприятные химические свойства буровых шламов: засоление, щелочность, солонцеватость – не являются лимитирующими, поскольку в гидроморфных условиях происходит их оптимизация за счет спонтанных процессов. На этом фоне главным фактором, ограничивающими возможность рекультивации шламов с использованием в качестве почвообразующей породы являются неблагоприятные водно-физические свойства и характеристики: повышенная дисперсность, раздельно-частичное состояние, повышенная набухаемость и постоянная обводненность. Бесструктурная коллоидная система лишается газовой фазы. Химический состав (высокая щелочность и содержание Na) способствует проявлению таких свойств.
В настоящее время характер и последствия загрязнения объектов природной среды при бурении скважин практически не исследованы. Имеющиеся отдельные публикации отечественных и зарубежных авторов не охватывают всю полноту проблемы, исследования в ряде случаев носят поверхностный, описательный характер, отличаются либо незаконченностью и неконкретностью разработок, либо решают отдельные частные вопросы. Кроме того, глубина теоретических проработок отстает от современных требований, диктуемых нынешними темпами и объемами буровых работ.
В этой связи, в настоящее время, не произведена однозначная характеристика процессов, протекающих в природной среде вследствие ее загрязнения при бурении скважин, и оценка последствий этого негативного воздействия. Решение этой задачи осложняется многообразием природно-климатических и почвенно-ландшафтных условий районов бурения, для которых характерны разнообразные потенциалы загрязнения и самоочищения окружающей среды.
В принятой практике действие отходов на окружающую среду оценивается по вредности используемых в их составе химических веществ и материалов. В основном для этих целей рекомендуется использовать санитарно-токсикологический показатель, который дает представление о степени вредности веществ и материалов на объекты биосферы с позиции токсикологии. При этом токсичность веществ характеризуется значением показателя предельно допустимой концентрации. Для различных природных объектов значения ПДК одного и того же вещества неодинаковы. Многие материалы и химические реагенты не имеют регламентированных значений ПДК, несмотря на определенный загрязняющий эффект, проявляемый ими. Так, базируясь на экспериментальных подходах, большинство исследователей считают, что полимерные реагенты, используемые в бурении, безвредны благодаря высокой молекулярной массе, что лишает их возможности разрушать живую клетку. Вещества, основанные на полисахаридах, склонны к быстрому биохимическому разложению, в то же
время гуминовые кислоты, лигнин и лигносульфонаты довольно устойчивы к биодеградации. Хром в органических соединениях маловреден, а в свободном состоянии — весьма токсичен. Органические реагенты искусственной природы, как правило, являются вредными.
Вместе с тем, как справедливо отмечают многие исследователи, загрязняющее действие отходов бурения на природные объекты, не обязательно может проявляться в токсическом эффекте на биосферу, а способно выражаться в нарушении экологического равновесия биотопов различных трофических уровней при их взаимодействии с абиотической средой, носящей механизм функциональных повреждений экосистемы.
При оценке опасности отходов бурения уделяется внимание оценки влияния различных отходов бурения на водные объекты. В частности российские ученные проводили изучения о влиянии отработанных буровых растворов и шлама на морские гидробионты. В них при оценке действия отработанного бурового раствора и шлама и их ингредиентов в различных концентрациях на отдельные виды морского и пресноводного фитопланктона и зоопланктона были определены пороговые концентрации для гидробионтов различных видов. Опыты показали, что наиболее токсичными реагентами для молоди рыб являлись баритовый утяжелитель, известь, каустическая сода, бихромат калия и некоторые другие реагенты органической природы.
Подобные исследования проводились, также специалистами отдела биологии Техасского университета США. Они изучали токсичность четырех разных фракций бурового раствора на основе лигносульфонатов с добавкой хрома для морских беспозвоночных. При этом установлено, что фильтрат таких буровых растворов вызывает гибель 32 — 100% подопытных гидробионтов в течение 96 ч. Аналогичные данные получены для взвешенных веществ и осажденной твердой фракции. Специалисты США исследовали влияние суспензии бентонита на острую токсичность гидробионтов и установили пороговые концентрации для такого материала. Таким образом, было установлено, что, отходы бурения представляют экологическую опасность для водных объектов (Малышкин М.М., 2010).
Буровые растворы и буровой шлам при попадании в водную среду вызывают локальные изменения химических и биологических параметров экосистем.
Физическое влияние:
1) увеличение концентрации взвешенных веществ снижает прозрачность морской воды в районе проведения буровых работ;
2) снижение прозрачности влияет на тепловой режим поверхностного слоя водных масс ;
3) изменение температурного режима влияет на подъем холодных донных вод;
4) изменение температурного режима, вместе с увеличением содержания взвеси, влияет на процесс испарения воды;
5) шумовые воздействия на организм.
Химическое влияние:
1) наблюдается увеличение в морской воде содержания взвеси и растворенной формы металлов;
2) изменение содержания взвешенных веществ и подъем глубинных вод изменяют рН, соленость;
3) происходит накопление взвешенных веществ и сопутствующих химических элементов в зоне скачка плотности;
4) изменение состояния биоты оказывает влияние на химические параметры морской среды (Андреева В.В., Мойсейченко Г.В., Тяпкина Н.В., 2000).
Рассмотрим токсичное влияние компонентов бурового шлама на другие объекты окружающей среды.
Среди образующихся отходов нефтедобычи, как уже видно, наибольшее количество дискуссий по вопросу экологической безопасности размещения в окружающей среде вызывают буровые шламы. Опасность для природной среды от такого рода отходов, как было уже сказано, заключается в следующем:
• содержании значительного количества нефти;
• содержании легкорастворимых солевых добавок;
• неблагоприятных физических и физико-химических свойствах буровых шламов.
Под действием даже небольших доз сырой нефти снижается флористическое разнообразие и биомасса (Кабиров, Минибаев,1982). В лесных и таежных ландшафтах происходит «сжигание» травянистой растительности, пожелтение и отмирание хвои и листьев на деревьях и кустарниках. Особенно страдают молодые растения, погибающие наиболее быстро. Происходит устойчивое снижение жизнеспособности подроста (Гашев и др.,1988). Растения с относительно глубокой корневой системой не столь быстро реагируют на загрязнение – только при достижении токсичных концентраций геохимически активных соединений горизонтов, к которым приурочена основная масса корней. Кроме выпадения видов, уменьшения числа экземпляров растений происходит сокращение периода вегетации, формируются аномалии в морфологии растений : карликовость, искривление стеблей, скручивание листьев, суховершинность (Невзоров,1967; Гнат, 1985).
Солнцева Н.П. в своей книге «Добыча нефти и геохимия природных ландшафтов» приводит данные, где прослеживается зависимость некоторых морфологических характеристик растений от интенсивности загрязнения почв. Морфологические изменения растений сопровождаются изменением их химического состава. Наиболее высокую экологическую опасность представляет накопление полиароматических углеводородов (ПАУ), так как эти вещества являются сильнодействующими канцерогенами. Эти долговечные химические соединения передаются по пищевым цепям, попадая в итоге к человеку (Шилова, Куллини, 1981). Одновременно меняется и общий химический состав растений. Неодинаковы их зольность, абсолютные содержания отдельных элементов и соотношения между ними. К примеру отношения N/P меняются от 0,5 до 7,5; K/P – от 1,4 до 2,3; а CaO/SiO2 от 1,0 до 1,5 (Солнцева Н.П., 1998) .
Проблеме загрязнения почвогрунтов отходами бурения посвящен ряд
исследований, в которых рассматриваются вопросы агроэкологической оценки загрязняющего влияния отработанного бурового раствора, буровых сточных вод, шлама и отдельных химических реагентов. Так, изучение последствий загрязнения наземного растительного покрова отходами бурения показывает, что на всех пораженных участках наблюдается лишь незначительное восстановление растительного покрова. Даже по истечении 15 лет растительность (по биомассе) восстанавливается менее чем наполовину. Во всех случаях сразу после разлива отходов бурения, особенно содержащих нефтепродукты, растительный покров практически полностью уничтожается. Основной причиной гибели растений является вытеснение кислорода из почвы.
Процесс загрязнения почвогрунтов отходами бурения разделяется на три стадии. Первая характеризуется образованием поверхностного ореола загрязнения и незначительным проникновением компонентов отходов бурения в грунтовую среду. На второй стадии происходит вертикальная инфильтрация жидких компонентов. Третья стадия характеризуется боковой миграцией загрязнителей.
Характер загрязнения почвогрунтов на второй и третьей стадиях определяется главным образом проницаемостью грунта, его составом, положением зеркала грунтовых вод и временем. При высокой проницаемости боковая фильтрация происходит лишь вблизи зеркала грунтовых вод. В менее проницаемой среде боковая фильтрация значительна и у дневной поверхности. (Малышкин М.М., 2010)
Исследование влияния содержания твердой фазы бурового раствора,
представленной в основном глиной, на механический состав почв, который определяет такие свойства, как липкость, связность, водопроницаемость, поглотительную способность и целый ряд других показателей, воздействующих на плодородие почв и рост растений, показало (см табл.1.3), что при загрязнении почвогрунтов происходит перераспределение фракций механических элементов не только по профилю, но и по их размерам.(Малышкин М.М., 2010)
Таблица 1.3
Влияние бурового раствора на механический состав почвы
|
Глубина отбора образца, см |
Содержание твердой фазы (%) при размере фракции, мм |
|||||
|
1-0,25 |
0,25-0,05 |
0,05-0,01 |
0,01 0-0,005 |
0,005 0,001 |
<0,001 |
|
|
Перед закладкой опыта |
||||||
|
0-20 |
1,57 |
15,37 |
12,73 |
12,98 |
8,99 |
42,88 |
|
20-40 |
1,49 |
8,26 |
22,37 |
3,15 |
10,13 |
49,34 |
|
Почва, загрязненная буровым раствором |
||||||
|
0-20 |
1,13 |
7,86 |
30,07 |
10,93 |
20,58 |
29,44 |
|
20-40 |
1,23 |
9,24 |
18,30 |
9,16 |
22,36 |
39,61 |
Кроме того, жидкие буровые отходы при попадании их в почву плохо
смешиваются в ней, образуя крупные глинистые комки, обладающие высокой вязкостью и липкостью. При высыхании они не разрушаются, в результате чего резко, ухудшается агрономическая ценность почвенной структуры. В местах скопления буровых растворов происходит увеличение плотности твердой фазы (от 2,6 до 2,8 г/см3) и плотности почв (от 1,12 до 1,50 г/см3), что является неблагоприятным фактором для развития растений.
Наблюдения за питательными элементами почвы показали, что исходные показатели благоприятны для развития растений. Однако после внесения в них буровых растворов отмечается значительное увеличение щелочности почвы, которая приводит к угнетению растений (см табл. 1.4.). Существенного влияния на количество подвижных питательных элементов в почве буровые растворы не оказывают, однако существует угроза выноса органического вещества из почвы в виде гуматов натрия.
Таблица 1.4.
Агрохимические показатели почвы
|
Глубина отбора образца, см |
Гумус, по Тюрину, % |
Азот общий, по Кельдалю, % |
Р205, по Чирикову, м2/100г |
Сумма обменных оснований, мг/экв/100г |
рН водная |
|
Перед закладкой опыта |
|||||
|
0-20 |
4,2 |
0,23 |
58,75 |
45,8 |
6,80 |
|
20-40 |
3,9 |
0,20 |
76,00 |
45,5 |
7,04 |
|
Почва, загрязненная буровым раствором |
|||||
|
0-20 |
3,7 |
0,19 |
90,0 |
46,8 |
8,35 |
|
20-40 |
2,9 |
0,16 |
79,4 |
45,6 |
8,37 |
Высокая минерализация буровых растворов приводит к резкому увеличению засоленности почвы. Величина сухого остатка на загрязненных участках достигает 1,0 — 1,5%, что приводит к полной гибели растений. Резко возрастает количество токсичного для растений хлора (17 — 21 мг/экв) и натрия (13,0 — 16,0 мг/экв), что делает почву непригодной для возделывания сельхозкультур. Вследствие неравномерного смешивания буровых растворов с почвой степень минерализации участков неоднородна по профилю и по площади (см. табл. 1.5.). .(Малышкин М.М., 2010)
Таблица 1.5.
Содержание солевых компонентов в почве, мг-экв/%
|
Глубина отбора образца, см |
НСО-3 |
Сl - |
SO2-4 |
Са2+ |
Mg2+ |
Na++K+ |
|
Перед закладкой опыта |
||||||
|
0-20 |
0,043 / 0,70 |
0,022 / 0,60 |
0,058 / 1,20 |
0,020 / 1,00 |
0,015/ 1,25 |
0,25 |
|
20-40 |
0,043 / 0,70 |
0,025 / 0,70 |
0,067 / 1,40 |
0,015/ 0,75 |
0,021 / 1,75 |
0,30 |
|
Почва, загрязненная буровым раствором |
||||||
|
0-20 |
0,043 / 0,70 |
0,564/ 15,90 |
0,134/ 2,80 |
0,050/ 2,50 |
0,024/ 2,00 |
14,90 |
|
20-40 |
0,046 / 0,75 |
0,632 / 17,80 |
0,192/ 4,00 |
0,060 / 3,00 |
0,054 / 4,50 |
15,05 |
Таким образом, проведенные исследования свидетельствуют о крайне
негативном влиянии указанных видов отходов бурения на почву.
Жидкие отходы бурения имеют в своем составе минеральные соли. Их
попадание в почвы приводит к нарушению равновесия между ионами кальция, магния и натрия. В результате растения испытывают сильное голодание. При попадании в почву растворимых минеральных солей происходят необратимые изменения ее агрохимических свойств, приводящие к потере агрономической ценности, а в некоторых случаях интенсивно развиваются почворазрушительные процессы, способствующие перерождению структуры и формированию солончаков.
Как установлено, отработанные буровые растворы оказывают меньшее отрицательное влияние на кислые почвы с высоким содержанием органических веществ, а также песчаные почвы, но являются более вредными для щелочных суглинистых почв и почв с высоким содержанием глин. Это объясняется щелочной природой буровых растворов. Многие буровые растворы являются причиной почвенного диспергирования, вызывающего поверхностное коркообразование. В аридных зонах с ежегодным количеством осадков менее 50 см. буровые растворы не так пагубны, как в зонах влажного климата. Так, при обследовании шламовых амбаров после окончания бурения в засушливых районах установлено, что проникновение отработанных буровых растворов в песчаные и супесчаные почвы существенного вреда окружающей среде не наносит. Также показано, что отработанный буровой раствор и шлам, не содержащие вредных компонентов, в отдельных случаях в небольшом количестве могут быть безопасно сброшены на песчанистые и супесчанистые почвогрунты (Малышкин М.М, 2010).
Решающим фактором, определяющим загрязняющие свой ства отработанных буровых растворов и бурового шлама и направления их утилизации и нейтрализации вредного воздействия на объекты природной среды, являются их химический состав и плохие физико-химические свойства.
В их со ставе содержатся растворенная и эмульгированная нефть, загрязняющая орга ника, минеральные соли, рН таких отходов колеблется в широком диапазоне - от 7,2 до 12,5. Содержание твер дой фазы в них тоже различно. Их твердая фаза может со стоять из пород глинистой фракции, карбонатных и галоидно-сульфатных пород, барита, гематита и некоторых других включений. В каждом конкретном случае он различен, и строгой зависимости в содержании компо нентов не установлено.
Все известные технологии переработки буровых шламов по методам переработки можно разделить на следующие группы:
Исходя из анализа литературных данных, утилизация буровых шламов может осуществляться по следующим направлениям:
Существует множество разнообразных способов и разработано большое количество методик рекультивации шламовых амбаров и использования буровых шламов.
Рассмотрим некоторые методы утилизации отходов бурения:
является их использование в дорожном строительстве. Однако перспективность этого метода и его экономическая состоятельность еще не доказаны, так как рекомендуется использовать отработанный буровой раствор, содержащий в своем составе как безвредные, так и токсичные компоненты.
доступным является их ликвидация путем захоронения. При этом практикуется захоронение отработанного бурового раствора и шлама в специально отведенных местах, в глубокозалегающих подземных горизонтах, в земляных амбарах непосредственно на территории буровой. Захоронение отходов бурения в специально отведенных местах предусматривает использование для этих целей шламохранилищ, бросовых земель или оставшихся после разработки карьеров. Такое захоронение сопряжено со значительными транспортными расходами и поэтому экономически невыгодно. Вместе с тем захоронение отходов по этому способу является единственно возможным вариантом решения природоохранной проблемы, например, при морском бурении, бурении в курортных и прибрежных водоохранных зонах, а также в экологически уязвимой местности.
бурового раствора и шлама в земляных амбарах, стенки которых изолируются пленкой из полиэтилена или поливинилхлорида и бентонитом. После заполнения амбара его засыпают минеральным, грунтом, смешанным с бентонитом, наносят слой плодородной почвы и рекультивируют. Однако у нас в стране такой метод не получил должного распространения, хотя и заслуживает внимания. Перспективным направлением утилизации представляется использование для крепления скважин. При этом возможны два варианта. По первому варианту отработанный буровой раствор используется в качестве добавок к известным тампонажным материалам, традиционно применяемым в практике цементирования скважин, по второму — отработанный буровой раствор
используется в качестве основного тампонажного материала. Так, фирма "Dresser Magcobar" разработала тампонажный материал, для приготовления которого использован отработанный буровой раствор на водной основе. (Проблема утилизации отработанного бурового раствора в США, 1987) Причем в составе отработанного бурового раствора допускается определенное содержание нефтепродуктов (дизтоплива) и утяжелителя.
использование в качестве основы удобряющих компостов и мелиорантов, предназначенных для внесения в почву при рекультивации шламовых амбаров и территории буровой, а также структурообразователя почвогрунтов. Пригодными для этих целей смогут быть лишь буровые шламы, не содержащие хроматов и токсичных для почв минеральных солей. Наиболее целесообразно использовать такие компосты и мелиоранты для солонцовых, песчаных и супесчаных почв, т.е. почв, обедненных глинистыми структурообразующими компонентами. (Шеметов В.Ю.,1988, Drilling Fluids Disposal Ussial Consems Operators and Agencies, 1982) Предпосылкой такой постановки вопроса является механизм мелиорации, заключающийся в связывании глинистым коллоидным комплексом разрозненных механических элементов указанных почв в единую морфологически и агрономически ценную структуру. Так, исследованиями в работе (Шеметов В.Ю, 1988) показано, что глинистые отработанные буровые растворы, обрабатываемые в процессе бурения гуматными реагентами и имеющие в своем составе менее 2 % минеральных солей, являются хорошим структурообразующим агентом для указанных выше типов почв. Наиболее ярко мелиорирующий эффект буровых шламов проявляется при его совместном использовании с фосфогипсом-дигидратом. Эффективность такого мелиоранта обусловлена содержанием в его составе структурообразующего глинистого коллоидного комплекса, рационального количества питательных для почв компонентов (гуматов калия, кальция, разлагающейся органики и др.), носителем которых служит отработанный буровой раствор и буровой шлам, а также кальция, фосфора и ряда других микроэлементов, привносимых фосфогипсом-дигидратом. Внесение в почву предложенного мелиоранта приводит к заметному улучшению ее структуры и агрономических свойств. Так, рН почвы становится близким к нейтральному. Гуматы, привносимые в почву мелиорантом, находятся в устойчивой кальциевой форме в отличие от преимущественно натриевых гуматов, содержащихся в почвенной среде. Это способствует закреплению органического вещества в почве и улучшению тем самым почвенной структуры и пищевого режима. Улучшение водно-физических и агрохимических свойств почвы в значительной мере происходит в результате структурообразования коллоидной фракции глины бурового шлама в присутствии фосфогипса-дигидрата, а также в результате насыщения почвенного поглощающего комплекса фосфогипсом и внесения с мелиорантом ценных питательных биогенных элементов — фосфора, калия и др. . Аналогичные работы проводятся рядом американских фирм. По их расчетам, внесение подобных мелиорирующих агентов на основе отработанного бурового раствора в плодородные почвы обходится фирмам в
среднем в 375 - 500 долл. на 1 га пашни. Очевидно, что перспективность такого
метода утилизации отработанного бурового раствора не вызывает сомнений. (Малышкин М.М, 2010)
является их использование в качестве исходного сырья для получения изделий
грубой строительной керамики, в частности, в производстве керамзита и глинистого кирпича. Предпосылкой этого служит компонентный состав бурового шлама, основу которого составляет глина, являющаяся главным компонентом бурового раствора и находящаяся в высоко-дисперсном состоянии. Причем глинистая фракция буровых шламов представлена в подавляющем большинстве случаев глиной высокого качества (бентопорошок), что придает такому сырью хорошие технологические свойства.
бурового шлама для производства строительного кирпича. Исследования проводили по стандартной методике, принятой для изделий грубой строительной керамики (Технология керамики и огнеупоров, 1962). Для этого в исходную глинистую сырьевую смесь вводили различные количества бурового шлама и определяли геологические свойства шихты - формовочную влажность, пластическую вязкость и предельное напряжение сдвига, а качество готового керамического изделия — по водопоглощению, усадке и прочности. Испытания проводили в лабораторных и промышленных условиях. Результаты экспериментов показывают, что введение в традиционную сырьевую смесь для производства глиняного кирпича бурового шлама в количестве до 25 % не только не ухудшает показатели качества получаемого керамического изделия, но и существенно улучшает реологические свойства исходной шихты. При этом повышается формовочная влажность массы, ее пластическая вязкость, а показатель предельного напряжения; сдвига находится в оптимальном диапазоне. Получаемый кирпич обладает высокими; потребительскими свойствами — он характеризуется минимальной усадкой, незначительным водопоглощением и высокими прочностными показателями (Малышкин М.М., 2010).
Рассмотрим некоторые методы обезвреживания БШ:
Обезвреживание отходов позволяет не только повысить экологичность таких работ, но и обеспечить благоприятные условия для своевременной рекультивации отстойников с отработанным буровым раствором и шламом, исключив стадию длительного ожидания затверде вания их содержимого.
концентрируются на физико-химической нейтрализации и отверждении отработанного бурового раствора и бурового шлама. Физико-химическая нейтрализация содержимого шламовых амбаров представляется привлекательным методом предотвращения загрязнения объектов природной среды отходами бурения. Один из них предусматривает разделение отработанного бурового раствора на жидкую и твердые фазы с последующей утилизацией жидкой части и нейтрализацией осадка. С этой целью в США предложен способ разделения фаз отработанного бурового раствора (Новые установки для очистки отработанных буровых растворов и сбора загрязняющих веществ, 1984). Для обработки используют флокулирующие добавки. Такие добавки вызывают коагуляцию и флокуляцию жидкой части отходов и высаждение твердой фазы в осадок. После удаления из амбара осветленной воды оставшаяся масса вновь обрабатывается флокулянтом, и так продолжается до тех пор, пока вся основная часть воды не будет удалена из жидких отходов (Булатов А.И., Волощенко Е.Ю и др., 2011).
сульфата алюминия и специальных флокулирующих агентов. Отделившаяся вода направляется для технических нужд бурения или приготовления нового бурового раствора. Отделение воды производится с помощью декантирующей центрифуги, а оставшаяся часть отработанного бурового раствора направляется на фильтр - пресс, на котором происходит дальнейшее обезвоживание массы. Полученный шлам содержит до 30 % влаги и считается безвредным, а затем сбрасывается в шламовый амбар для захоронения.
окисление и гидрофобизация поверхности (Жданов И.А., Кутузова Е.П ). Изучены закономерности и особенности процессов окисления и гидрофобизации поверхности бурового шлама и установлены наиболее целесообразные границы применимости данных ме тодов в соответствии с уровнем загрязненности таких отхо дов бурения. Метод окисления органических загрязнителей, содержащихся в буровом шламе, обладает гораздо меньшей эффективностью по сравнению с гидрофобизацией. Это одна из основных причин, не позволяющая рекомендовать метод окисления в практику обезвреживания буровых шламов. Более перспективным (Гулиев Б.А., Гусейнов Т.И , 1977) является обезвреживание шлама методом гидрофобизации его поверхности с помощью орга нических или растворимых высокомолекулярных соединений с последующим действием электролитов. За счет высаливания полимера частицы породы покрываются пленкой, препятствующей растворению в воде токсичных и загрязняющих веществ. Из известных растворов полимеров наибольшей эффективностью обладает сополимер малеинового ангидрида с акриламидом (Гусейнов Т.И.,1981), который позволяет получать высокую степень гидрофобизации поверхности бурового шлама и, как следствие, обеспечивает необходимую глубину обезвреживания. Этот метод рекомендован в основном для обезвреживания шлама при морском бурении, так как эффект гидрофобизации поверхности усиливается при попадании обработанного таким полимером БШ в морскую среду. Однако из-за значительных расходов гидрофобизующего агента и его дефицитности этот метод широкого распространения в практике буровых работ не получил.
внимания термический метод (Гусейнов Т.И.,1981). Термическая обработка шламовых масс обеспечивает разрушение органики всех основных классов, присутствующих в буровом шламе. Этот метод является наиболее доступным и перспективным. Его практическая реализация осуществляется в печах специальной конструкции, из которых наиболее приемлема барабанная электрическая печь. Она позволяет реализовать необходимые термические режимы для достижения глубокого обезвреживания шламовых масс с высоким содержанием нефти и нефтепродуктов и других загрязнителей органической природы. Основным недостатком этого метода, сдерживающим его широкую практиче скую реализацию, является значительный расход электро энергии на проведение обжига шлама.
Из всего вышеизложенного следует, что утилизация и обезвреживание бурового шлама предполагает получение некого продукта или грунта с определенными химическими и физическими свойствами, который будет использоваться и, в любом случае, контактировать с компонентами окружающей природной среды. Исходя из этого, применяя ту или иную методику, мы должны оценивать, как полученный продукт будет оказывать влияние на те или иные компоненты ОС.
Мелиоранты - вещества, улучшающие механические, физические, физико-химические и биологические свойства почв и грунтов.
На сегодняшний день для улучшения свойств бурового шлама при восстановлении шламовых амбаров большинство компаний используют технологию перемешивания бурового шлама с песком при добавлении органической добавки торфа.
Органические добавки, такие как торф, используются как дешевый сорбент, которые сорбируют подвижные загрязнения в буровом шламе, такие как нефтепродукты, тяжелые металлы, соли, препятствуя тем самым их миграции в почву, и за счет этого улучшают плодородие получаемой универсальной смеси.
Торф и предварительно разложившиеся отходы деревообработки имеет кислотную характеристику показателя рН, а шламы буровых производств, имеют щелочную среду. Таким образом, торф и предварительно разложившиеся отходы деревообработки нейтрализуют щелочную среду бурового шлама. Кроме того, торф содержит микрофлору, которая способствует разложению углеводородов нефти и связыванию тяжелых металлов в малоподвижные соединения, например хилатные.
При смешивании компонентов с песком получается малотекучая смесь, что позволяет перевозить ее в открытых самосвалах без герметизации кузова и тем самым снизить расходы на ее транспортировку и исключить загрязнение окружающей среды в процессе ее транспортировки.
Свойства песка, используемого в качестве мелиоранта, определяется его генезисом, минералогическим составом, крупностью зерен, их окатанностью и сортированностью. В основном состоит из кварца, до 98 %. К основным физическим свойствам песков относятся: плотность сложения, плотность твердой фазы и порозность. Отсюда песок отличается высокой водопроницаемостью, низкой влагоемкостью. При смешивании с отходами бурения способствует улучшению гидрофизических свойств отходов.
Однако на сегодняшний день надзорные органы следят за рациональным использованием данных природных ресурсов. Бесконтрольно они не отпускаются в пользование компаний. Следует отметить, что нередкими случаями становится необходимость разбавления песком бурового шлама в высоких соотношениях, что ведет за собой резкое увеличение объемов, что не всегда удобно с точки зрения размещения и хранения отходов.
Исходя из ситуации, сложившейся в нефтяной промышленности актуальным становится поиск наиболее лучших вариантов, помимо существующих, по улучшению свойств бурового шлама. Как экономичнее и оптимальнее добиться подобного эффекта с помощью добавок других мелиорантов.
Глауконит представляет собой натуральный природный минерал, содержащийся в осадочных породах. Современная экотехнология выявила, что глауконит обладает рядом универсальных полезных свойств, которые можно использовать в различных сферах жизни.Уникальность этого минерала заключается в его высоких ионообменных, буферных и сорбционных свойствах. Иначе говоря, глауконит способен поглощать и нейтрализовать токсины
Глауконитовый концентрат широко используется в нефтяной промышленности. Его сорбционные свойства нашли применение в очистке нефтепродуктов от вредных примесей. Глауконит способен поглощать фенол, бензол, обладает высокой сорбционной емкостью к нафтановым кислотам (до 6,4 на 100 г глауконита) и к пиридину (до 5,79 на 100 г глауконита). Он активно используется для фильтрации, обессоливания и обезвоживания нефти.
Из его кристаллических решеток экстрагируются оксиды, которые способны оказывать нейтрализующее противодействие ионам химического реагента, вызвавшим неблагоприятные изменения pH среды. Например, если сформировавшаяся неблагоприятная для глауконита среда находится в кислом интервале pH, то в жидкую фазу взаимодействующей минеральной системы экстрагируются оксиды щелочных (Na20, K2O) и щелочно-земельных металлов (CaO, MgO и др.), а также амфотерных R2O3 (Fe2O3 и Al2O3). Эти оксиды, взаимодействуя с ионами химического реагента, фактически выполняют функцию фактора буферности и содействуют смещению реакции среды в благоприятную сторону для подвергшейся химической "агрессии" глауконита. Аналогично указанному, в неблагоприятном для глауконита щелочном интервале pH, буферные свойства будут обеспечивать амфотерные оксиды R2O3, оксид кремнезема SiO2 и кислые соли слабых кислот, а также гумусовые вещества и их производные и т.д.
Процесс частичного разрушения глауконита выражается в извлечении (экстрагировании) из его кристаллической решетки наиболее подвижных оксидов одно- и двухвалентных металлов, а затем и полуторных оксидов. Это приводит к нарушению связей в кристаллических решетках; при дальнейшем агрессивном воздействии дисперсионной среды выходят в раствор и другие оксиды, в том числе и SiO2. Из глинистых частиц и продуктов их гидролиза формируется золь-гелевая фаза и минерально-матричная система, состоящая из твердых глинистых частиц с разбалансированной кристаллической решеткой поверхностных слоев глауконита, что обеспечивает ему повышенную сорбционную способность (емкость).
Глауконит может храниться длительное время, он абсолютно пожаробезопасен, не оказывает аллергенного воздействия при применении, абсолютно безвреден для окружающей среды, не нарушает естественного экологического равновесия при продолжительном пребывании в почве.
Из числа различных агрегатных форм отходов для окружающей среды наибольшую опасность представляют жидкие и вязкопластичные, так как миграция из них вредных веществ-загрязнителей может происходить наиболее интенсивно, поскольку они в этих отходах могут пребывать в коллоидно-, молекулярно- и ионно-растворимом состоянии. При этом особую опасность для ОС представляют содержащиеся в отходах тяжелые металлы (Cd, Pb, Hg, Cu, Zn, Ni, Cr и др.), радионуклиды, полиароматические и хлорорганические соединения, гебрициды и пестициды, синтетические поверхностно-активные вещества, растворимые и нерастворимые углеводороды и т.д. Глауконит «сажает» на себя тяжелые металлы, препятствует их перемещению в почве, переход в растения, связывает нуклиды, и активно переводит их в стабильное состояние, что снижает опасное радиоактивное излучение.
Обработка почв цементом – метод, улучшающий механические свойства почв грунтов, контролируя их вынос. Цемент - гидравлическое минеральное вяжущее вещество. Его называют гидравлическим, поскольку набор прочности и затвердевание происходит в присутствии воды; Его называют минеральным, поскольку исходные материалы, используемые для его получения, — минеральной природы (горные породы или продукты их выветривания).
Согласно классификационным построениям профессора Е.А. Дмитриева в современном почвоведении основу составляю почвы и близкие к ним по морфологическим или функциональным признакам почвоподобные тела. К классу функционально почвоподобных тел, лишенных присущей почвам профильной организации, но обладающих потенциальным плодородием, могут быть отнесены многие естественные горные породы и разного рода производственные отходы (Дмитриев Е.А., 1996, Пепелов И.Л., 2011). Эффективность множества методов, разработанных в почвоведении, для изучения почвоподобных тел объясняется гомологичностью объектов.
Почвоподобные тела со временем могут превратиться в почвы, в первую очередь, это связано со средообразующей деятельностью живых организмов, в частности фотоавтотрофных. Это положение лежит в основе технологий биорекультивации многочисленных отходов промышленности, сельского хозяйства и быта с вовлечением их в природный почвообразовательный процесс. (Пепелов И.Л., 2011)
Значительная часть почвоподобных объектов по принципу физической организации может быть отнесена к двухфазным тонкодисперсным системам, обладающим высокой поверхностной энергией и специфичными физико-химическими свойствами, определяемыми не только твердофазными взаимодействиями, но и составом жидкой и дисперсионной среды. (Щукин и др., 82, Смагин,2003, Смагин и др., 2004, 2011, Пепелов 2011). Такими объектами являются тонкодисперсные отходы бурильного производства (буровые шламы), состоящие из размельченных и взвешенных в солевых растворах обломков горных пород, а также тонкодисперсных кольматирующих добавок (бентонитовые глины, мел) и антифрикционных компонентов (Король В.В. и др. 2005, Пепелов И.Л., 2011). Это и естественные донные отложения и продукты седиментации канализационных стоков (ОСВ) или коагуляционной очистки питьевых вод, многочисленные отходы агропроизводства и технологий обработки сельскохозяйственной продукции, ряда технологических процессов в промышленности (золошлаки). Все они лишены столь важного с точки зрения почвообразования явления как агрегатная структура и поэтому представлены либо монолитными глыбистыми образованиями при недостатке влаги, либо вязко-текучими раздельночастичными двухфазными системами при ее наличии (Пепелов И.Л., 2011).
Различные исследования по изучению физико-химических свойств бурового шлама проводятся в лабораторных и полевых условиях в течение последних лет.
Как было сказано, отходы бурения буровые шламы относят к тонкодисперсным почвоподобным телам.
Профессор Смагин А.В. в своих работах отмечает, что силы молекулярных поверхностных взаимодействий (Ван-дер-Ваальса) и ионно-электростатического отталкивания частиц твердой фазы – физические силы, контролирующие состояние тонкодисперсных двухфазных почвоподобных объектов. Давлением сил молекулярного притяжения поверхностей обеспечивается коагуляция (агрегация) и гидратация поверхности (водоудерживание, набухание) частиц на небольших расстояниях. От коагуляции (слипания) диспергированное состояние частиц предохраняется ионно-электростатическим барьером, существующим благодаря отталкиванию одноименно заряженных частиц. (Смагин А.В., 2003)
Водоудерживающая способность (водоудерживание) – это способность почвы и грунтов удерживать влагу, в основном, капиллярно-сорционными силами. Характеризуется влажность почвы и грунтов при определенном давлении, или положением кривой ОГХ (основная гидрофизическая характеристика) в осях «влажность (абсцисса) – давление (ордината)»: чем «правее» расположена кривая, тем больше водоудерживание (Пепелов И.Л., 2011). По данным исследований (Пепелов И.Л., 2011) определения функций ОГХ (водоудерживания) следует (Рис.1.1.) следующее: расположение кривой водоудерживающей способности свежего бурового шлама указывает на существование большой разницы между ним и почвами, что позволяет негативно оценить водно-физическое состояние бурового шлама. Однако высушенный буровой шлам имеет кривую водоудерживания (общая гидрофизическая характеристика - ОГХ), практически не отличимую от почв средне- и тяжелосуглинистого состава. Водоудерживающая способность значительно снижается, судя по значительному смещению кривой водоудерживания влево. Значит, уже при обыкновенном просушивании амбаров буровых шламов водно-физическое поведение буровых шламов улучшится.
Рис.1.1. Функции водоудерживания для свежего свободного от нефти бурового шлама и почв различного гранулометрического состава.
Исследования данных (Пепелов И.Л., 2011) ОГХ БШ, подвергнутого различным способам мелиоративной обработки различными способами с целью изучения водно-физических свойств, показали, что длительность высушивания и внесение фосфогипса способствуют снижению водоудерживания. Гидрофобизация поверхности частиц БШ производит неоднозначный эффект.
Изменение ОГХ под влиянием пескования и совместного внесения песка с фосфогипсом для свежего БШ и для высушенного БШ [данные взяты с исследований Пепелова] (Рис.1.2.; рис.1.3. ):
Рис.1.2.: Влияние внесения песка и 10% фосфогипса (ФГ) на ОГХ свежего бурового шлама (W – влажность,%)
Рис.1.3.: Влияние внесения песка и 5% фосфогипса (ФГ) на ОГХ высушенного бурового шлама (W – влажность,%)
Увеличение степени разбавления песком свежего и высушенного БШ сопровождается сокращением удельной поверхности образующихся смесей, что приводит к закономерному снижению энергии водоудерживания, однако оно неаддитивно количеству внесенного песка. Эффективность фосфогипса проявляется независимо от дозы внесения (1,5 и 10 %) и связана с содержанием в нем двухвалентного катиона Са 2+, действие которого проявляется в уменьшении потенциала сил ионно-электростатического отталкивания. Отмечается, что эффективность фосфогипса исчезает по мере увеличения содержания песка в смеси или снижении влажности.
Свежий буровой шлам обладает низкой влагопроводностью (Kw) – (<1,2 см/сут) в области малых давлений (Р< 3 кПа) (Пепелов И.Л., 2011). Исследования БШ, подвергнутого различным способам мелиоративной обработки, показали, что совместное действие длительного высушивания с фосфогипсом и гидрофобизатором приводит к резкому увеличению значений влагопроводности до 20 раз по сравнению с просто высушенным БШ. Сам высушенный БШ обладает влагопроводностью меньшей в 4 раза, чем у свежего БШ. Внесение фосфогипса способствует увличению влагопроводности высушенного БШ в 10 раз, а гидрофобизация, наоборот, снижает влагопроводность. Пескование увеличивает влагопроводность свежего БШ, при добавлении от 20 до 90 % песка Kw возрастает в 2-10 раз. Данный эффект был установлен и для песчаных смесей высушенного БШ.
Агрегативная устойчивость БШ устанавливается определением усадки и набухания. Данные исследования Пепелова показали, что степень набухания высушенного БШ составляет 8%. Внесение фосфогипса приводит к увеличению набухания БШ почти в 2 раза. Эффект обусловливается осмотическим впитыванием влаги по градиенту концентраций соли. Смеси с песком имеют набухание меньшее, чем БШ, объясняемое падением энергии водоудерживания за счет уменьшения удельной поверхности.
Биотестирование и его основы
Эффективным методом оценки потенциальной опасности химического, физического или биологического воздействия на почву, считается биотестирование. Биотестирование осуществляется экспериментально с использованием стандартизированных лабораторных тест-систем, путем регистрации изменений биологически важных показателей (тест-реакций) под воздействием исследуемых проб с последующей оценкой их состояния в соответствии с выбранными критериями токсичности. Тест-система представляет собой пространственно-ограниченную совокупность чувствительных биологических элементов (сенсоров) и исследуемой среды, в которой они находятся.
Для обозначения основных составляющих тест-систему элементов в русскоязычных источниках широко применяются термины тест-объект и тест-культура (или тест-организм). При этом тест-объект правильно трактовать как пробу и образец, который подвергается исследованию и оказывает воздействие, вызывая тест-реакцию. Тест-культура – лабораторная популяция особей, как правило, одного вида живых организмов (тест-организмов), искусственно поддерживаемая (культивируемая) на питательной среде в стандартных условиях и используемая при оценке токсичности при биотестировании. Фактически живая система выполняет функции чувствительного датчика, получающего сигнал от воздействующего объекта. Поэтому, подобно тому, как это принято в англоязычной литературе, применительно к этому элементу тест-системы логично употреблять термин «сенсор». Чувствительность сенсоров контролируется по модельному токсиканту, регламентированному соответствующей стандартизованной методикой. Под термином же «тест-организм» предлагается подразумевать систематическое наименование вида организма, элементы или целые особи которого используются в качестве сенсоров. (Терехова В.А. ,2011)
Цели биотестирования различны в разных сферах. Для определения общей токсичности, канцерогенности и мутагенности проводят биотесты. (Филенко О.Ф. , 1989). Воздействие в тест-системе измеряется посредством имитации возможных путей поступления вредного вещества в организм, поэтому основными тестируемыми объектами являются водные среды. Такие гидробионты как простейшие, водоросли, ракообразные, моллюски, рыбы и др. выступают в качестве биологических чувствительных сенсоров. Изучение токсичности твердых компонентов окружающей среды (почв, донных осадков, грунтов, отходов и т.п.) считают опосредованным способом воздействия на биосенсор. (Опекунов А.Ю., 2006). В этом случае используют водные вытяжки или поровые воды указанных сред. Возможно определение биотестов и в фазе взвешенных частиц. (Терехова В.А. ,2011)
Все же большая часть методик биотестирования основана на анализе водной вытяжки, это так называемое элюатное биотестирование.
Биологические методы обладают высокой чувствительностью, улавливают более низкие концентрации веществ, чем аналитические датчики, отмечают, что по информативности для оценки последствий вредного воздействия на окружающую природную среду, превосходят физико-химические методы анализа. Принято считать, что биотестирование дает информацию о неблагополучии в опережающем режиме, до проявления видимых изменений в природных экосистемах. Биотестирование в качестве метода, дополняющего биоиндикацию и химико-аналитический комплекс, обладает рядом несомненных достоинств. Биотесты позволяют фиксировать негативные изменения при относительно слабых антропогенных нагрузках. В тест-реакции суммируется действие всех биологически вредных факторов, включая физическое и химическое воздействие. (Терехова В.А. ,2011)
Практическая востребованность методов биотестирования
На сегодняшний день существует необходимость совершенствовать систему экологического контроля, именно потребностями практики обусловлен заметно возросший интерес к биоиндикационным исследованиям. В связи с деятельностью человека окружающая природная среда претерпевает ряд изменений, испытывает большие антропогенные нагрузки. Глобальная деградация природы в большей степени обусловлена запредельным загрязнением почвы. Такие формы воздействия, как урбанизация, развитие промышленности и транспортных сетей, приводят к образованию биотопов и интенсивному насыщению ксенобиотиками.
Помимо задач экологической оценки природных сред (почвы и воды) биотесты востребованы в других сферах. Например, биотестирование применяется для экспериментального установления класса опасности отходов производства и потребления. В нашей стране этот способ регламентирован Приказом №511 Министерства природных ресурсов РФ, которым утверждены в 2001 г. «Критерии отнесения опасных отходов к определенному классу опасности». Результаты биотестирования используются при сертификации различных биопрепаратов, сорбентов нефтепродуктов и других токсикантов., контроле качества биоремедиации воды и почвы. (Терехова В.А. Арчегова И.Б. и др., 2006)
Методы биотестирования нашли применение при экологической сертификации микробиологических препаратов, рекомендованных для очистки природных объектов от нефтяных загрязнений на территории Салымского нефтяного месторождения в Сибири, в Усинском районе Республики Коми, на акватории Балтийского моря. Результаты биотестирования используются и для контроля качества восстановительных работ на нарушенных участках почв. (Терехова В.А. ,2011)
В РФ в разных сферах производственной деятельности используются наборы биотестов, регламентированные к применению для оценки качества почв приказами соответствующих министерств, методическими указаниями и руководствами. Установлены реестры методик экотоксикологического анализа. Известно несколько десятков методик биотестирования, но лишь около десяти из них внесены в федеральный реестр (ФР) и реестр природоохранных нормативных документов (ПНД Ф) как рекомендованные для целей практического экологического контроля окружающей среды, включая почву.
Список , стандартизованных методик биотестирования, рекомендованных в настоящее время для целей токсикологического контроля почв и других объектов с указанием кодов регистрации и разработчиков:
Как видно, широко используемые в экотоксикологоческом контроле методики, главным образом, основаны на реакциях гидробионтов разной таксономической принадлежности: низших ракообразных, зеленых протококковых водорослей, равноресничных инфузорий. (Руководство по определению методом биотестирования токсичности вод, донных отложений, загрязняющих веществ и буровых растворов, 2002)
Оценка воздействия токсикантов производится на основании подсчета показателей смертности особей, плодовитости, подавления прироста численности популяции клеток водорослей, потере подвижности инфузорий и др. Кроме того, для анализа природных сред и техногенных объектов рекомендованы люминесцентные бактерии (лиофильно высушенный препарат «Эколюм»). Тест-функцией в этом случае служит уменьшение интенсивности свечения препарата под влиянием токсиканта.
Анализ почв и грунтов
Для анализа почв в агроценозах обычно применяются семена высших растений. Тест-параметрами для них служат показатели прорастания: всхожесть, энергия прорастания, дружность прорастания, скорость прорастания, а также показатели интенсивности начального роста семян (длина корней, длина зеленых проростков, масса корней, масса зеленых проростков). Согласно наиболее распространенным методическим указаниям, лучшие результаты дают мелкие семена (кресс-салат, редис, горчица, пшеница и др) с небольшим запасом питательных веществ, а следовательно, более подверженные влиянию внешних факторов. Однако зачастую используются крупные семена. В зависимости от целевого использования почв агроценозов посев тех или иных култур испытания проводят на семенах однодольных (злаковых) или двудольных растениях. Более итегрированный подход опубликован бельгийскими авторами методики Phytotoxkit Microbiotest. Методика предполагает использование семян трех видов, среди которых двудольные растения: Lepidium sativum, Sinapis alba и однодольные – Sorghum saccharatum. Степень фитотоксичности почвы оценивается по ингибированию роста и развития молодых растений на исследуемых образцах относительно эталонной почвы.
Почва как чрезвычайно гетерогенная среда с большим количеством питательных элементов методически представляет собой сложный объект для биотестирования. Результат экспериментального тестирования почв во многом определяется процедурой подготовки проб к биологическому исследованию, условиями биотестирования и выбором тест-организма. Известно, например, что присутствие большого количества биогенных элементов в водной вытяжке из почвенных образцов затрудняет применение зеленых протококковых водорослей для биотестирования экотоксичности почв. Также показано, что изменение солености водных растворов влияет на устойчивость солоноватоводных рачков Artemia salina к воздействию загрязнителей. (Терехова В.А., 2011)
Современный этап характеризуется обилием работ по сравнению эффективности существующих методик биотестирования. В ходе анализов распространенных групп загрязнителе: тяжелых металлов, нефти и нефтепродуктов, хлорорганических соединений и т.п. – накоплено достаточно данных, свидетельствующих о том, что чувствительность биотест – систем зависит от химической природы поллютантов.
В качестве примера приводятся результаты сравнения чувствительности некоторых стандартных биотестов к разным видам загрязнений в ходе экспериментального определения токсичности более 500 образцов почв и отходов различного происхождения [Бурдина В.М Терехова В.А. Анализ эффективности методик биотестирования в экологической оценке загрязненных почв и отходов различного происхождения]
Образцы, загрязненные нефтью и нефтепродуктами, по сравнению с другими видами загрязнений оказали наибольшее токсическое действие на стандартизованные организмы: рачков Daphnia magna и простейших Paramecium caudatum. Выявлено, что самым чувствительным является тест на дафниях, существенно меньшей чувствительностью характеризуется тест на простейших. При этом тестирование на простейших образцов, загрязненных тяжелыми металлами, было весьма эффективным.
Очевидно, что предусмотренный стандартными методиками анализ водной вытяжки из загрязненных почв не в полной мере отражает степень потенциальной опасности загрязненных образцов, поскольку часть токсичных компонентов связывается в почве и не переходит в раствор.
Для разных видов поллютантов необходимо подбирать методы с учетом диапазона их чувствительности. Кроме того, надо расширять спектр методик биотестирования, предназначенных для экотоксикологической оценки почв. Наиболее адекватная оценка токсичности почв, очевидно, может быть получена в биотест-системах с применением почвообитающих организмов, то есть педобионтов. Так надежными представляются контактные методы определения качества почв по реакции микроорганизмов, однако, к сожалению, авторы работ в этом направлении не занимаются внедрением новых методов. [Терехова В.А. Биотестирование почв: подходы и проблемы]
Парадоксально, что в ряде случаев используются одни и те же виды тест-организмов и, соответственно, оцениваются одни и те же тест-реакции. Однако нередко результаты интерпретируются по-разному. Яркой иллюстрацией сказанному могут быть существующие подходы к определению классов опасности отходов в разных ведомствах: в соответствии с Приказом Министерства природных ресурсов России от 15.06.2001 г. №511 «Об утверждении Критериев отнесения опасных отходов к классу опасности для окружающей природной среды» следует выделять 5 классов опасности отходов, а согласно Санитарным правилам СП 2.1.7.1386-03, введенным 30.06.2003 г, установлено 4 класса опасности токсичных отходов производства и потребления. Более того, для одной и той же тест-системы или метода, используемого разными службами, нередко различаются процедуры подготовки проб к биотестированию (в частности соотношение воды и твердого компонента при выщелачивании образцов твердых сред варьируют от 1:2 до 1:5) и т.д. (Терехова В.А. ,2011)
Загрязняющие свойства бурового шлама обусловлены минеральным составом выбуренной породы и остающимися в ней остатками бурового раствора. Анализ фазового, фракционного и компонентного состава шлама, а также его физико-химических свойств показывает, что за счет адсорбции на поверхности частиц шлама химических реагентов, используемых для обработки буровых растворов и входящих в его состав, он проявляет ярко выраженные загрязняющие свойства. Также выбуренная порода накапливает в процессе бурения нижних горизонтов сырую нефть и ее фракции. Таким образом, в его составе отмечается значительное содержание нефтепродуктов, органических соединений, опасных для объектов природной среды, растворимых минеральных солей. Всё перечисленное предопределяет высокую экологическую опасность отходов бурения.
В среднем, на 1 м3 отходов, как показывают расчеты, приходится до 68 кг токсичных органических соединений, не считая нефтепродуктов и загрязнителей минеральной природы.
Существуют различные аспекты негативного воздействия буровых шламов на компоненты окружающей среды. Буровые шламы оказывают влияние на водные экосистемы, на фитоценозы, на почвы. Буровые растворы и буровой шлам при попадании в водную среду вызывают локальные изменения химических и биологических параметров экосистем. Под действием даже небольших доз сырой нефти снижается флористическое разнообразие и биомасса. Отходы бурения влияют на механический состав почвы, изменяются агрохимические показатели. Высокая минерализация буровых растворов приводит к резкому увеличению засоленности почвы.
Решающим фактором, определяющим загрязняющие свой ства отработанных буровых растворов и бурового шлама и направления их утилизации и нейтрализации вредного воздействия на объекты природной среды, являются их состав и физико-химические свойства. Анализ данной проблемы свидетельствует о том, что захоронение отходов бурения не решает полностью задачи защиты окружающей среды от загрязнения. Этот доступный и практически повсеместно используемый метод локализации отходов бурения является экологически оправданным лишь при условии обезвреживания захороняемой массы.
Опасность для природной среды от бурового шлама заключается в следующем:
• содержании значительного количества нефти;
• содержании легкорастворимых солевых добавок;
• неблагоприятных физических и физико-химических свойствах буровых шламов.
Неблагоприятные химические свойства буровых шламов: засоление, щелочность, солонцеватость – не являются лимитирующими, поскольку в гидроморфных условиях происходит их оптимизация за счет спонтанных процессов. На этом фоне главным фактором, ограничивающими возможность рекультивации шламов с использованием в качестве почвообразующей породы являются неблагоприятные водно-физические свойства и характеристики: повышенная дисперсность, раздельно-частичное состояние, повышенная набухаемость и постоянная обводненность. Бесструктурная коллоидная система лишается газовой фазы.
Эффективным методом оценки потенциальной опасности химического, физического или биологического воздействия на природные среды, в том числе почву, является биотестирование. Биотестирование осуществляется экспериментально с использованием стандартизованных лабораторных тест-систем, путем регистрации изменений биологически важных показателей (тест-реакций) под воздействием исследуемых проб с последующей оценкой их состояния в соответствии с выбранными критериями токсичности.
Биологические методы, как правило, обладают высокой чувствительностью, улавливают более низкие концентрации веществ, чем аналитические датчики, к тому же отмечается, что по информативности для оценки последствий вредного воздействия на окружающую среду и ее компоненты превосходят физико-химические методы анализа. Принято считать, что биотестирование дает информацию о неблагополучии в опережающем режиме, до проявления видимых изменений в природных экосистемах. В тест-реакции суммируется действие всех биологически вредных факторов, включая физическое и химическое воздействие.
Буровой шлам принадлежит Суторминскому месторождению ЯНАО.
Согласно Федеральному классификационному каталогу отходов (ФККО) код отхода: 546 000 00 00 00 4
Отсюда следует, что буровой шлам отнесен к 4 классу опасности.
Буровой шлам был подвергнут следующей мелиоративной обработке
В итоге объектами исследования стали смеси мелиорированного бурового шлама.
Постановка эксперимента
Материалы и оборудование:
- Глауконит - 1 кг
- Нефть - 2,6 кг
- Буровой шлам - 25 кг
- Песок - 6 кг
- Цемент - 1 кг
- Горшочки емкостью 0,5 л с поддоном - 114 шт.
- Весы технические
- Сито для просеивания смеси в горшки на 2 мм
- Тазики для формирования однородных смесей
- Емкость для полива с насадкой в виде лейки, объем 20 мл.
Таблица 2.1.
Схема опыта
1. Измельчаем буровой шлам, подсушенный до воздушно-сухого состояния, складываем в мешки - 25 кг БШ.
2. Взвешиваем на технических весах макрокомпоненты смеси А1 в соответствии с таблицей 3, перемешиваем в тазике до однородного состояния.
Далее просеиваем всю смесь через сито, взвешиваем повторности по 300 г и размещаем в горшки.
3. После закладки смеси А1 тазик, сито помыть, просушить.
4. Повторить процедуру подготовки следующих смесей.
Металлическим стержнем сделать множество углублений в смеси с поверхности и равномерно закапать нефть в соответствии с таблицей 3.
Всего планируется сформировать 38 смесей в трех повторностях, итого 114 горшков.
5. Сформированные горшки с поддонами расставить по стеллажным полкам под тентом на открытом воздухе.
6. Оставить в покое на несколько дней для сцепления всех компонентов
7. Через десять дней посеять семена кресс-салата на поверхность горшочков в количестве 10 штук.
8. Два раза в неделю осуществляется полив горшков. Объем полива 40 мл в неделю или 20 мл за один раз, поверхностный.
9. Перед каждым поливом требуется проводить перестановку горшков по схеме 1 для нейтрализации светового фактора воздействия.
Схема 1.
10. Через три дня после посадки фитокультуры необходимо определить всхожесть.
11. Далее ежедневно наблюдать за фитокультурой для установления периода прорастания
Таблица 2.2..
Содержание компонентов (г) в смесях из расчета на один горшок
Таблица 2.3.
Содержание компонентов (г) в смесях из расчета на одну смесь – три горшка (три повторности)
Таблица 2.4.
Контролируемые показатели:
Набухание – увеличение объема почвы и грунта в процессе смачивания. В результате гидратации частиц и образования на поверхности их оболочек рыхло связанной воды уменьшаются силы сцепления между ними, происходит отдаление их друг от друга, что приводит к увеличению общего объема почвы или грунта. Способность частиц к набуханию связана с гранулометрическим, минералогическим и химическим составом, а также с начальными плотностью и влажностью их. Осмотическая теория природы процесса набухания объясняет процесс разностью концентраций растворов. Если концентрация раствора в поровом пространстве выше, чем концентрация окружающего раствора, то происходи набухание, а если ниже – наблюдается сжатие. Способность почв и грунтов к набуханию можно охарактеризовать степенью, влажностью и давлением набухания. Степень, или деформация набухания, определяется изменением объема массы или высоты образца:
Rh=(hk-hн)/hн *100
, где Rh - степень набухания по высоте образца.% ; hk и hн - первоначальная и конечная высота образца, мм.
Из методов определения степени набухания наиболее распространен метод Васильева.
Под усадкой почвы или грунта понимают уменьшение объема их при высыхании. Предел усадки соответствует полному удалению воды из почвы и переходу из полутвердой в твердую консистенцию. Усадка зависит от тех же факторов, что и набухание и прямо коррелирует с ними. Усадку определяют по величине линейной или объемной усадки и по влажности, при которой прекращается усадка. [Вадюнина А.Ф., Корчагина З.А. Методы исследования физических почв, М. Агропромиздат, 1986, 416 с]
Для выявления токсичности исследуемых проб применялась аттестованная методика «Определение токсичности воды и водных вытяжек из почв, осадков сточных вод, отходов по изменению прироста микроводорослей Scenedesmus quadricauda». Она основана на регистрации прироста численности клеток пресноводных микроводорослей в пробах за определенный период экспозиции с использованием прибора ToxyPam (Walz, Germany). Критерием острой токсичности служит ингибирование прироста численности клеток на 30% и более, либо ингибирование
активности флюоресценции водорослей более чем на 50% за 120 часов в исследуемом экстракте при условии, что в контроле ингибирование прироста и интенсивности флюоресценции не превышает 10%.
Процедура пробоподготовки к биотестированию была проведена в соответствии с нормативными документами. В контроле применялась дистиллированная вода, доведенная по рН до 7,2 отн.ед, которая используется для поддержания исходной культуры тест-организмов. Приготовление проб воды заключалось в через бумажный фильтр «белая лента» и доведении ряда предусмотренных методикой физико-химических
показателей: рН, (в интервале рН 7-8.2, при необходимости доводили 10% HCl или 10% KOH), содержание кислорода (исходно не менее O2 не менее 6 мг/дм 3 ) и температура (оптимум 22 оС).
Биотестирование проводили в конических плоскодонных колбах объемом 100 см3, которые заполняли 50 см3 исследуемого экстракта, в них помещали по культуру водорослей до плотности 20 000 Кл/мл не более 7-суточной экспозиции (в стадии логарифмического роста). Определение токсичности каждой пробы проводили в трех
параллельных сериях. В качестве контроля использовали три параллельные серии с водой. Биотестирование проводится с соблюдением требований к температуре, продолжительности фотопериода и к качеству культивационной воды в соответствии с требованиями методики. Учет в опыте и контроле проводили по истечении 120 часов.
Для исследования также применяли второй тест-объект – бактериальный препарат «Эколюм» на основе генно-модифицированного штамма Esheriсhia coli. Биотестирование проводили с использованием прибора Биотокс-10М. В каждый тестируемый образец добавляли концентрат культуры бактерий. Люминесценцию проб измеряли после 30 минутной экспозиции. Токсичными признавали образцы, в которых
наблюдалось ингибирование относительно контрольного образца свыше 20%. Стимулирование свечения не считается проявлением токсичности.
Третий тест-объект - Paramecium caudatum. Острое токсическое действие исследуемой пробы определяют по смертности (летальности) инфузорий за определенный период экспозиции. Критерием острой токсичности пробы служит гибель 50% и более парамеций за 24 ч, при условии, что в контроле гибель особей не превышает 10%. В качестве контроля используют параллельные серии с культивационной водой. Для биотестирования используют планшет с лунками. Помещают по 10 ― 12 особей в каждую лунку. После помещения инфузорий в планшет в контрольные лунки наливают по 0,6 см3 культивационной воды, в опытные — по 0,6 см3 тестируемой пробы. Отмечают время начала биотестирования и подсчитывают под микроскопом количество особей в каждой лунке.
Согласно литературным данным, зачастую одним из основных токсических компонентов в буровых шламах является нефть и ее фракции. Поэтому определение общего содержания нефтепродуктов при эколого-токсикологической оценке буровых шламов является непременной частью их химической характеристики.
В отобранных в рамках работы пробах было определено содержание нефтепродуктов методом ИК-спектроскопии (ПНД Ф 14.1:2:4.168-2000 "Методика выполнения измерений массовой концентрации нефтепродуктов в питьевых, природных и очищенных сточных водах методом ИК-спектрофотометрии на концентратомере КН-2м" ) в аккредитованном Химико-аналитическом центре факультета почвоведения МГУ.
В пробах было определено содержание хлоридов аргентометрическим методом (ГОСТ 26425-85 «Методы определения иона хлорида в водной вытяжке») в аккредитованном Химико-аналитическом центре факультета почвоведения МГУ имени М.В. Ломоносова.
Фитотестирование как метод оценки почв и почвогрунтов используется издавна для определения качества семян, плодородия почв, в биомедицинских исследованиях и относительно недавно в природоохранной сфере для оценки экологического качества природных сред. Основано на чувствительности растений к экзогенному химическому воздействию, что отражается на ростовых и морфологических характеристиках.
Во многих работах отечественных и зарубежных авторов показана эффективность применения семян кресс-салата (Lepidium sativum). Данная культура была информативной при загрязнении исследуемых объектов поллютантами различных типов (тяжелыми металлами, углеводородами, радиоактивными веществами и др.) и при комплексном загрязнении.
Все пробы были исследованы в аккредитованном Химико-аналитическом центре факультета почвоведения МГУ имени М.В. Ломоносова.
Установлено, что содержание хлоридов в мелиорированных буровых шламах всех исследованных смесей варьируется от 0,10 до 1,39 г/кг, что соответствует 0,01 - 0,139 % (табл.3.1).
Таблица 3.1
Характеристика исследованных смесей мелиорированного бурового шлама по ряду исследованных показателей
|
Шифр пробы |
БШ, % |
Песок, % |
Глауконит, % |
Цемент, % |
Хлориды, г/кг |
рН |
|
6015 |
70 |
30 |
0 |
0 |
0,20 |
7,63 |
|
6016 |
70 |
30 |
0 |
0 |
0,52 |
7,61 |
|
6017 |
70 |
30 |
0 |
0 |
0,26 |
7,74 |
|
6019 |
70 |
20 |
1 |
9 |
0,11 |
9,29 |
|
6020 |
70 |
20 |
1 |
9 |
0,31 |
8,92 |
|
6021 |
70 |
20 |
1 |
9 |
0,27 |
9,32 |
|
6022 |
70 |
20 |
2,5 |
7,5 |
0,39 |
9,11 |
|
6023 |
70 |
20 |
2,5 |
7,5 |
0,36 |
8 |
|
6024 |
70 |
20 |
2,5 |
7,5 |
0,42 |
9,73 |
|
6025 |
70 |
20 |
2,5 |
7,5 |
1,20 |
9,39 |
|
6026 |
70 |
20 |
2,5 |
7,5 |
0,44 |
9,42 |
|
6027 |
70 |
20 |
2,5 |
7,5 |
0,68 |
9,35 |
|
6028 |
70 |
20 |
2,5 |
7,5 |
1,39 |
9,9 |
|
6029 |
70 |
20 |
5 |
5 |
0,76 |
9,27 |
|
6030 |
70 |
20 |
5 |
5 |
1,38 |
9,16 |
|
6031 |
70 |
20 |
5 |
5 |
0,20 |
8,81 |
|
6032 |
70 |
20 |
5 |
5 |
0,53 |
9,59 |
|
6033 |
70 |
20 |
5 |
5 |
0,55 |
9,45 |
|
6034 |
70 |
20 |
5 |
5 |
0,92 |
9,07 |
|
6035 |
70 |
20 |
5 |
5 |
0,93 |
10,7 |
|
6036 |
60 |
25 |
1,5 |
13,5 |
0,86 |
10,03 |
|
6037 |
60 |
25 |
1,5 |
13,5 |
0,18 |
9,65 |
|
6038 |
60 |
25 |
1,5 |
13,5 |
0,17 |
9,44 |
|
6039 |
60 |
25 |
1,5 |
13,5 |
0,34 |
10,31 |
|
6040 |
60 |
25 |
1,5 |
13,5 |
0,46 |
10,11 |
|
6041 |
60 |
25 |
1,5 |
13,5 |
1,01 |
10,43 |
|
6042 |
60 |
25 |
1,5 |
13,5 |
0,76 |
10,64 |
|
6043 |
60 |
35 |
0,5 |
4,5 |
0,38 |
9,21 |
|
6044 |
60 |
35 |
0,5 |
4,5 |
0,10 |
9,53 |
|
6045 |
60 |
35 |
0,5 |
4,5 |
0,54 |
9,35 |
|
6046 |
60 |
35 |
0,5 |
4,5 |
0,42 |
9,73 |
|
6047 |
60 |
35 |
0,5 |
4,5 |
0,55 |
9,59 |
|
6048 |
60 |
35 |
2,5 |
2,5 |
< 0,05 |
7,86 |
|
6049 |
60 |
35 |
2,5 |
2,5 |
0,17 |
7,21 |
|
6050 |
60 |
35 |
2,5 |
2,5 |
0,66 |
8,57 |
|
6051 |
60 |
35 |
2,5 |
2,5 |
0,23 |
8,81 |
|
6052 |
60 |
35 |
2,5 |
2,5 |
0,11 |
8,76 |
|
6053 |
60 |
35 |
2,5 |
2,5 |
0,15 |
8,7 |
При анализе водной вытяжки из проб мелиорированного бурового шлама было установлено, что все пробы характеризуются щелочной реакцией среды (рН водн колеблется от 7,61 до 10,64), что обусловлено, как правило, составом применяемых при бурении реагентов и в целом характерно для буровых шламов.
Биотестирование проводилось специалистами Лаборатории экотоксикологического анализа почв (ЛЭТАП) МГУ им. М.В.Ломоносова. Лаборатория сертифицирована в системе аккредитации аналитических лабораторий (СААЛ).
Исследования мелиорированных смесей бурового шлама на экотоксичность показали, что исследованные образцы являются нетоксичными, согласно установленным критериям.
При изучении эффекта влияния смесей БШ на проявление биотического отклика было выявлено, что тест-объект Paramecium caudatum оказался наименее чувствителен из всех тест-объектов, наиболее чувствительным оказался Scenedesmus quadricauda (табл.3.2).
Таблица 3.2.
Характеристика исследованных смесей мелиорированного бурового шлама по ряду показателей биотестирования
|
Шифр пробы |
БШ, % |
Песок, % |
Глауконит, % |
Цемент, % |
S.quadricauda % прирост |
P.caudatum, % выживших |
|
6015 |
70 |
30 |
0 |
0 |
131 |
100 |
|
6016 |
70 |
30 |
0 |
0 |
120 |
100 |
|
6017 |
70 |
30 |
0 |
0 |
90 |
100 |
|
6019 |
70 |
20 |
1 |
9 |
127 |
100 |
|
6020 |
70 |
20 |
1 |
9 |
122 |
100 |
|
6021 |
70 |
20 |
1 |
9 |
171 |
100 |
|
6022 |
70 |
20 |
2,5 |
7,5 |
358 |
100 |
|
6023 |
70 |
20 |
2,5 |
7,5 |
145 |
100 |
|
6024 |
70 |
20 |
2,5 |
7,5 |
154 |
100 |
|
6025 |
70 |
20 |
2,5 |
7,5 |
180 |
100 |
|
6026 |
70 |
20 |
2,5 |
7,5 |
180 |
100 |
|
6027 |
70 |
20 |
2,5 |
7,5 |
123 |
100 |
|
6028 |
70 |
20 |
2,5 |
7,5 |
121 |
100 |
|
6029 |
70 |
20 |
5 |
5 |
128 |
100 |
|
6030 |
70 |
20 |
5 |
5 |
101 |
100 |
|
6031 |
70 |
20 |
5 |
5 |
108 |
100 |
|
6032 |
70 |
20 |
5 |
5 |
130 |
100 |
|
6033 |
70 |
20 |
5 |
5 |
133 |
100 |
|
6034 |
70 |
20 |
5 |
5 |
107 |
100 |
|
6035 |
70 |
20 |
5 |
5 |
133 |
100 |
|
6036 |
60 |
25 |
1,5 |
13,5 |
166 |
100 |
|
6037 |
60 |
25 |
1,5 |
13,5 |
158 |
100 |
|
6038 |
60 |
25 |
1,5 |
13,5 |
168 |
100 |
|
6039 |
60 |
25 |
1,5 |
13,5 |
165 |
100 |
|
6040 |
60 |
25 |
1,5 |
13,5 |
152 |
100 |
|
6041 |
60 |
25 |
1,5 |
13,5 |
164 |
100 |
|
6042 |
60 |
25 |
1,5 |
13,5 |
164 |
99,75 |
|
6043 |
60 |
35 |
0,5 |
4,5 |
112 |
100 |
|
6044 |
60 |
35 |
0,5 |
4,5 |
132 |
100 |
|
6045 |
60 |
35 |
0,5 |
4,5 |
123 |
100 |
|
6046 |
60 |
35 |
0,5 |
4,5 |
173 |
100 |
|
6047 |
60 |
35 |
0,5 |
4,5 |
173 |
100 |
|
6048 |
60 |
35 |
2,5 |
2,5 |
134 |
100 |
|
6049 |
60 |
35 |
2,5 |
2,5 |
82 |
100 |
|
6050 |
60 |
35 |
2,5 |
2,5 |
125 |
100 |
|
6051 |
60 |
35 |
2,5 |
2,5 |
211 |
100 |
|
6052 |
60 |
35 |
2,5 |
2,5 |
134 |
100 |
|
6053 |
60 |
35 |
2,5 |
2,5 |
130 |
100 |
Нечувствительность тест-объекта Paramecium caudatum подтверждается результатами дисперсионного анализа с помощью пакета Statistica 8.0 (табл.3.3., рис.3.1.) :
Таблица 3.3
Проверка значимости фактора на результаты биотического отклика
(тест-объект Paramecium caudatum)
|
|
Составляющие |
Сумма квадратов |
Число ст.свободы |
Средний квадрат |
F - критерий |
Уровень значимости |
|
|
|
SS |
Degr. of |
MS |
F |
p |
|
|
|
|
Freedom |
|
|
|
|
Фактор 1 |
Smesi |
0,089286 |
4 |
0,022321 |
1 |
0,420651 |
|
Фактор 2 |
Neft' |
0,133929 |
6 |
0,022321 |
1 |
0,440843 |
|
Взаимодействие |
Smesi*Neft' |
0,535714 |
24 |
0,022321 |
1 |
0,490662 |
|
Случ.составл. |
Error |
0,78125 |
35 |
0,022321 |
|
|
|
|
если р < 0,05 фактор влияет |
Рис.3.1 Проверка значимости факторов (градация - нефть) на результаты биотического отклика (тест-объект Paramecium caudatum)
Сопоставление биотического отклика, а именно прироста водорослей со свойствами исследованных проб мелиорированных БШ (содержанием загрязняющих в них веществ: нефти, легкорастворимых солей, определяющих щелочную реакцию среды) показали, что статистически достоверные связи между ними отсутствуют:
Рис.3.2. Матричный график попарных графиков между переменными
На матричном графике (ри.3,2.) наблюдается связь между такими показателями, как содержание нефтепродуктов и содержание хлоридов в пробе. Известно, что ещё более вредное воздействие, чем вода и механические примеси, на переработку нефти оказывают соли - хлориды, которые попадают в нефть вместе с эмульгированной водой. Именно этим и объясняется связь между показателями.
В ходе регрессионного анализа, с использованием пакета Statistica 8.0. было выявлено, что связь показателей не описывается кинетической теорией микробного роста (Глазунов, Гендугов, Евдокимова 2010). При мультипликативном выражении концентраций (нефти, солей) проявляется аналогичное отсутствие этих взаимосвязей.
Несмотря на отсутствие закономерностей влияния на биотический отклик, смеси мелиорированного шлама отличаются по содержанию компонентов, поэтому следует рассмотреть каждую смесь в отдельности.
Первая смесь: БШ 70%, песок 20%, глауконит 2,5%, цемент 7,5%
Рис.3.3 Воздействие различного содержания нефти в смеси №1 мелиорированного бурового шлама на результаты биотестирования
На графике можно увидеть, что максимальный биотический отклик тест-объекта наблюдается при содержании нефти равном 2,5 г/кг в смеси. Стоит отметить, что есть другая область некого оптимума при количестве от 10 до 35 г/кг.
Рассмотрев химические характеристики смеси №1, стоит отметить, что максимальный биотический отклик соответствует значению рН = 9,11, содержание хлоридов 0,39 г/кг или 0,039 %. Области оптимума соответствуют значения рН от 8,0 до 9,9 , содержание хлоридов от 0,36 до 1,39 г/кг, или 0,036 – 0,139 %.
Исследование физических свойств показало, что усадка мелиорированной смеси 8-9 % от усадки исходного бурового шлама (24,6%).
Вторая смесь: БШ 70%, песок 20%, глауконит 5%, цемент 5%
На графике видно (рис.3.4), что наибольшему значению биотического отклика соответствует смесь с содержанием нефти 17,5 г/кг и 25 г/кг. Стоит отметить, что при точечных значениях равных 2,5 и 100 г/кг нефти значения биотического отклика так же были высокими.
Рис.3.4 Воздействие различного содержания нефти в смеси №2 мелиорированного бурового шлама на результаты биотестирования
Рассмотрев химические характеристики смеси №2, стоит отметить, что области высоких значений биотический отклика соответствует интервал значений рН = 8,81-9,59, содержание хлоридов от 0,20 до 1,38 г/кг, или от 0,020 до 0,138 %.
Исследование физических свойств показало, что усадка мелиорированной смеси 8,5 % от усадки исходного бурового шлама (24,6%).
Третья смесь: БШ 60%, песок 25%, глауконит 1,5%, цемент 13,5%
Проанализировав данную смесь мелиорированного БШ (рис.3.5), можно сделать вывод, что смесь в целом не токсична при диапазоне содержания нефти (2,5 – 100 г/кг), так как биотический отклик для тест-объекта не падает ниже 150 %. (рис.3,5)
Химические характеристики данной смеси следующие: значение рН от 9,44 до 10,64, содержание хлоридов от 0,17 до 1,01 г/кг, или от 0,017 до 0,101 %.
Исследование физических свойств показало, что усадка мелиорированной смеси 5- 5,5 % от усадки исходного бурового шлама (24,6%).
Рис.3.5 Воздействие различного содержания нефти в смеси №3 мелиорированного бурового шлама на результаты биотестирования
Четвертая смесь: БШ 60%, песок 35%, глауконит 0,5%, цемент 4,5%
Рис.3.6 Воздействие различного содержания нефти в смеси №4 мелиорированного бурового шлама на результаты биотестирования
Изучив данные смеси №4 мелиорированного БШ (рис.3.6), можно отметить, что наивысшие значения биотического отклика соответствуют пробам с содержанием нефти от 15 до 30 г/кг.
Химические характеристики данной смеси следующие: значение рН от 9,21 до 9,73 содержание хлоридов от 0,10 до 0,55 г/кг, или от 0,01 до 0,055 %.
Исследование физических свойств показало, что усадка мелиорированной смеси 5-5,6 % от усадки исходного бурового шлама (24,6%).
Пятая смесь: БШ 60%, песок 35%, глауконит 2,5%, цемент 2,5%
Рис.3.7 Воздействие различного содержания нефти в смеси №5 мелиорированного бурового шлама на результаты биотестирования
Проанализировав данную смесь мелиорированного БШ (рис.3.7), можно сделать вывод, что смесь в целом не токсична при диапазоне содержания нефти (2,5 – 50 г/кг), так как биотический отклик для тест-объекта стабилен, в среднем около 130 %, самые высокие значения биотического отклика соответствует содержанию нефти в количестве 17,5 г/кг.
Химические характеристики данной смеси следующие: значение рН от 7,21 до 8,76, содержание хлоридов от 0,05 до 0,66 г/кг, или от 0,005 до 0,066 %. Значения рН среды объясняется тем, что в предыдущих смесях количество цемента, как компонента смеси, было выше, чем 2,5 %, что увеличивало единицы рН в сторону щелочной среды.
Исследование физических свойств показало, что усадка мелиорированной
смеси 6 % от усадки исходного бурового шлама (24,6%).
Дисперсионный анализ (данные по биотестированию):
Эксперимент поставлен таким образом, что предусматривал обязательное наличие повторности каждой смеси. Наличие повторности разрешает нам прибегнуть к возможности анализа данных с помощью дисперсионного анализа с использованием пакета Statistica 8.0.
В программе Statistica можно проверить выполнение основных предположений, оправдывающих применение дисперсионного анализа. Наиболее важными из них являются два: 1) нормальность распределений по градациям факторов и 2) однородность, или гомогенность, дисперсий. Для проверки дисперсий на однородность используется тест Кохрена С, Хартли, Бартлетта. По итогам проверки – дисперсионный анализ можно применить к исходным данным.
С помощью дисперсионного анализа анализировались следующие смеси мелиорированного бурового шлама:
1 смесь: БШ 70%, песок 20%, глауконит 2,5%, цемент 7,5%
2 смесь: БШ 70%, песок 20%, глауконит 5%, цемент 5%
3 смесь: БШ 60%, песок 25%, глауконит 1,5%, цемент 13,5%
4 смесь: БШ 60%, песок 35%, глауконит 0,5%, цемент 4,5%
5 смесь: БШ 60%, песок 35%, глауконит 2,5%, цемент 2,5%
Главная цель анализа – оценить влияние разных смесей мелиорированного БШ и разных доз нефти на биотический отклик. Выявить оптимальные дозы нефти и наилучшую смесь мелиорированного БШ.
Данные представляют собой результаты эксперимента. Биотический отклик -результаты биотестирования образцов ( тест-объект Scenedesmus quadricauda ), которые отличались содержанием компонентов – мелиорантов в смеси (5 вариантов) и дозой нефти (7 вариантов). Комплекс выполнен в двукратной повторности. Получается двухфакторная модель дисперсионного анализа.
Рис. 3.8.: Результаты дисперсионного анализа (градация фактора – смесь)
Таблица 3.4.
Результаты дисперсионного анализа (градация фактора – смесь):
|
Смесь |
Средний показатель биотического отклика |
Ошибка среднего |
95 % Доверительный интервал для среднего |
|
|
|
Mean |
Std.Err. |
-95,00% |
95,00% |
|
1 |
173,9286 |
2,842642 |
168,1577 |
179,6994 |
|
2 |
119,8571 |
2,842642 |
114,0863 |
125,628 |
|
3 |
162,2857 |
2,842642 |
156,5148 |
168,0566 |
|
4 |
140,8571 |
2,842642 |
135,0863 |
146,628 |
|
5 |
137,8571 |
2,842642 |
132,0863 |
143,628 |
Проанализировав полученные результаты дисперсионного анализа, можно сделать вывод, что наилучший эффект на биотический отклик оказывают смеси №1 (БШ 70%, песок 20%, глауконит 2,5%, цемент 7,5%) и №3 (БШ 60%, песок 25%, глауконит 1,5%, цемент 13,5%) (рис 3.8., табл. 3.4.). Очевидно, что здесь прослеживается похожее содержание компонентов-мелиорантов. Оптимальное содержание глауконита варьирует от 1,5 до 2,5 % , при одновременном доминировании доли цемента от 7,5 до 13,5 % (наилучший показатель был достигнут в соотношении глауконит : цемент как 1:3, 1:9). В смесях, содержащих глауконит и цемент в равном относительно друг друга процентном соотношении, подобный эффект не наблюдается. Наихудшей смесью, согласно результатам дисперсионного анализа, является смесь № 2 (БШ 70%, песок 20%, глауконит 5%, цемент 5%).
Рис.3.9. Результаты дисперсионного анализа (градация фактора – нефть)
Таблица 3.5.
Результаты дисперсионного анализа (градация фактора – нефть):
|
Нефть (г/кг) |
Средний показатель биотического отклика |
Ошибка среднего |
95 % Доверительный интервал для среднего |
|
|
|
Mean |
Std.Err. |
-95,00% |
95,00% |
|
2 |
179,8 |
3,363459 |
172,9718 |
186,6282 |
|
5 |
123,3 |
3,363459 |
116,4718 |
130,1282 |
|
10 |
135,4 |
3,363459 |
128,5718 |
142,2282 |
|
17 |
161,8 |
3,363459 |
154,9718 |
168,6282 |
|
25 |
154 |
3,363459 |
147,1718 |
160,8282 |
|
50 |
129,8 |
3,363459 |
122,9718 |
136,6282 |
|
100 |
144,6 |
3,363459 |
137,7718 |
151,4282 |
Проанализировав результаты дисперсионного анализа по градации фактора нефть (рис.3.9., табл.3.5.), можно сделать вывод, что наибольшее положительное влияние на результаты биотестирования оказывает добавленная нефть в количестве 2,5 г/кг и от 17 до 25 г/кг. Стоит обратить внимание, что при при добавлении нефти в количестве 2,5 г/кг в каждой из приготовленных смесей мелиорированного БШ наблюдается утечка нефти, возможно связанная с ошибкой при постановке эксперимента, по видимому данный результат стоит исключить, приняв за случайную ошибку. Отмечается, что при добавлении нефти свыше 25 г/кг биотический отклик падает.
Согласно результатам анализа:
БШ 70%, песок 20%, глауконит 2,5%, цемент 7,5% ;
БШ 60%, песок 25%, глауконит 1,5%, цемент 13,5%
Исследование физических показателей мелиорированного бурового шлама показало, что водно-физические свойства изменяются по сравнению с исходным.
Степень набухания мелиорированного БШ варьирует от 5,0 до 7.8 %. В смесях с песком (от 60 %) набухание закономерно снижается до 5-6 %, объясняется это падением энергии водоудерживания за счет уменьшения удельной поверхности. При увеличении доли глауконита в смеси (от 5 %) так же наблюдается увеличение значения набухаемости БШ (6-8 %), что объясняется сорбирующими свойствами данного природного минерала.
Усадка зависит от тех же факторов, что и набухание и прямо коррелирует с ними. Усадка исходного БШ равна 24,6 %. Усадка мелиорированного бурового шлама варьирует от 4 до 16 % от усадки исходного БШ, средним является значение 6 %.
При увеличении процентного содержания цемента в смеси мелиорированного БШ наблюдается уменьшение значения усадки, что объясняется тем, что цемент - гидравлическое минеральное вяжущее вещество.
На представленном графике видно, что наилучшим значением усадки от исходного БШ обладают следующие смеси мелиорированного БШ:
1 смесь: БШ 70%, песок 20%, глауконит 2,5%, цемент 7,5%
2 смесь: БШ 70%, песок 20%, глауконит 5%, цемент 5%
Для оценки пригодности мелиорированного БШ в качестве почвогрунтов были предусмотрены исследования смесей на фитотоксичность. Тест-объект – Lepidium satiyum (семена кресс-салата). Результаты опыта показали, что процент взошедших семян от контроля доходил до 80%, что свидетельствует о нетоксичности мелиорированного БШ на тест-объект (табл.3.6.) и о создании более благоприятных условий для проживания биоты в мелиорированном БШ по сравнению с исходными вариантами. Следует отметить, что постановка эксперимента по методике не предусматривала вегетационный эксперимент, главной целью являлось проверка смесей мелиорированного БШ на фитотоксичность. Однако отметим, что в исследуемых образцах прослеживался период прорастания, но кресс-салат не достигал полного вегетационного периода, что объясняется постановкой эксперимента, а именно сроками предусмотренными методикой, и невозможностью бурового шлама как почвоподобного тела обеспечить проявление экологических функций почвы в условиях лабораторного эксперимента.
Таблица 3.6
Характеристика исследованных смесей мелиорированного бурового шлама на фитотоксичность
|
Шифр образца |
Номер сосуда |
Кол-во посаженных семян |
Число взошедших семян в повторностях |
X ср |
ИТ,% взошедших от контроля |
||
|
6015 |
1,1 |
10 |
4 |
6 |
3 |
4,33 |
43,3 |
|
6016 |
1,2 |
10 |
6 |
5 |
7 |
6,00 |
60,0 |
|
6017 |
1,3 |
10 |
5 |
8 |
10 |
7,67 |
76,7 |
|
6019 |
2.4 |
10 |
6 |
10 |
8 |
8,00 |
80,0 |
|
6020 |
2.5 |
10 |
0 |
3 |
1 |
1,33 |
13,3 |
|
6021 |
2.6 |
10 |
2 |
0 |
1 |
1,00 |
10,0 |
|
6022 |
3.1 |
10 |
7 |
9 |
7 |
7,67 |
76,7 |
|
6023 |
3.2 |
10 |
5 |
8 |
6 |
6,33 |
63,3 |
|
6024 |
3.3 |
10 |
1 |
3 |
5 |
3,00 |
30,0 |
|
6025 |
3.4 |
10 |
7 |
10 |
9 |
8,67 |
86,7 |
|
6026 |
3.5 |
10 |
10 |
4 |
6 |
6,67 |
66,7 |
|
6027 |
3.6 |
10 |
10 |
7 |
7 |
8,00 |
80,0 |
|
6028 |
3.7 |
10 |
6 |
8 |
8 |
7,33 |
73,3 |
|
6029 |
4.1 |
10 |
6 |
8 |
8 |
7,33 |
73,3 |
|
6030 |
4.2 |
10 |
5 |
6 |
6 |
5,67 |
56,7 |
|
6031 |
4.3 |
10 |
6 |
3 |
5 |
4,67 |
46,7 |
|
6032 |
4.4 |
10 |
7 |
8 |
6 |
7,00 |
70,0 |
|
6033 |
4.5 |
10 |
7 |
8 |
6 |
7,00 |
70,0 |
|
6034 |
4.6 |
10 |
6 |
7 |
7 |
6,67 |
66,7 |
|
6035 |
4.7 |
10 |
6 |
5 |
6 |
5,67 |
56,7 |
|
6036 |
5.1 |
10 |
7 |
8 |
7 |
7,33 |
73,3 |
|
6037 |
5.2 |
10 |
6 |
8 |
5 |
6,33 |
63,3 |
|
6038 |
5.3 |
10 |
3 |
4 |
5 |
4,00 |
40,0 |
|
6039 |
5.4 |
10 |
7 |
9 |
7 |
7,67 |
76,7 |
|
6040 |
5.5 |
10 |
8 |
5 |
6 |
6,33 |
63,3 |
|
6041 |
5.6 |
10 |
8 |
7 |
7 |
7,33 |
73,3 |
|
6042 |
5.7 |
10 |
6 |
7 |
7 |
6,67 |
66,7 |
|
6043 |
6.1 |
10 |
5 |
6 |
7 |
6,00 |
60,0 |
|
6044 |
6.2 |
10 |
5 |
4 |
4 |
4,33 |
43,3 |
|
6045 |
6.3 |
10 |
6 |
2 |
2 |
3,33 |
33,3 |
|
6046 |
6.4 |
10 |
1 |
4 |
6 |
3,67 |
36,7 |
|
6047 |
6.6 |
10 |
4 |
5 |
5 |
4,67 |
46,7 |
|
6048 |
7.1 |
10 |
6 |
5 |
6 |
5,67 |
56,7 |
|
6049 |
7.2 |
10 |
5 |
6 |
6 |
5,67 |
56,7 |
|
6050 |
7.3 |
10 |
6 |
7 |
3 |
5,33 |
53,3 |
|
6051 |
7.4 |
10 |
7 |
6 |
5 |
6,00 |
60,0 |
|
6052 |
7.5 |
10 |
6 |
5 |
7 |
6,00 |
60,0 |
|
6053 |
7.6 |
10 |
5 |
4 |
5 |
4,67 |
46,7 |
С помощью дисперсионного анализа анализировались следующие смеси мелиорированного бурового шлама на фитотоксичность:
1 смесь: БШ 70%, песок 20%, глауконит 2,5%, цемент 7,5%
2 смесь: БШ 70%, песок 20%, глауконит 5%, цемент 5%
3 смесь: БШ 60%, песок 25%, глауконит 1,5%, цемент 13,5%
4 смесь: БШ 60%, песок 35%, глауконит 0,5%, цемент 4,5%
5 смесь: БШ 60%, песок 35%, глауконит 2,5%, цемент 2,5%
Рис.3.10. Результаты дисперсионного анализа данных по фитотоксичности
(градация фактора – смесь БШ)
Проанализировав полученные результаты дисперсионного анализа, можно сделать вывод, что наилучший эффект по фитотоксичности наблюдается в следующих смесях (рис 3.10.):
В смеси мелиорированного БШ №4 наблюдается наименьший процент взошедших семян тест-объекта (кресс-салат), что свидетельствует о токсичности данного образца для растений.
Смесь мелиорированного бурового шлама №5 характеризуется большим процентов взошедших семян тест-объекта, чем смесь №4, но не настолько хороша, как смеси №1-№3.
Рис.3.11. Результаты дисперсионного анализа данных по фитотоксичности
(градация фактора – смесь БШ)
Проанализировав результаты дисперсионного анализа по градации фактора нефть (рис.3.11), можно сделать вывод, что наибольшее положительное влияние на результаты фитотоксичности оказывает добавленная нефть в количестве 2,5 г/кг и от 17 до 50 г/кг. С дальнейшим увеличением количества добавленной нефти наблюдается снижение процента взошедших семян.
В мелиорированном буровом шламе при внесении нефти 2,5 г/кг наблюдался высокий биотический отклик, тогда как при добавлении нефти 5 г/кг он резко падал, а при дальнейшем увеличении количества нефти от 17 до 25 г/кг биотический отклик был наилучшим. Стоит отметить, что подобный эффект наблюдается и в результате определения фитотоксичности образцов. Некоторое логическое несоответствие между результатами, отмеченное как экспериментальный парадокс, может свидетельствовать, с одной стороны, о несовершенстве применяемых в работе методов исследования, а с другой, о существовании неучтенных взаимодействий и более тонких, глубоких и нелинейных взаимосвязей между определяемыми химическими, биологическими, физическими характеристиками.
Согласно результатам анализа данных определения фитотоксичности образцов мелиорированного бурового шлама:
БШ 70%, песок 20%, глауконит 2,5%, цемент 7,5% ;
БШ 70%, песок 20%, глауконит 5%, цемент 5%
БШ 60%, песок 25%, глауконит 1,5%, цемент 13,5%
Биотический отклик статистически достоверно связан с различными вариантами смесей бурового шлама с мелиорирующими добавками (компонентный состав смесей). По комплексу результатов биотестирования следует отметить, что наименее чувствителен из всех тест-объектов оказался Paramecium caudatum. Наиболее чувствительными оказались такие тест-объекты, как Scenedesmus quadricauda и Lepidium satiyum, что подтверждается результатами анализа данных о влияния факторов на биотический отклик с применением пакета статистики.
В результате проделанной работы все поставленные задачи были выполнены, цель достигнута.
В ходе исследования было изучено происхождение бурового шлама, исследован химический состав, выделены факторы токсичности БШ.
В полной мере были исследованы аспекты негативного воздействия БШ на такие компоненты окружающей среды, как водные экосистемы, фитоценозы, почвенные экосистемы. Изучены последствия и морфологические трансформации компонентов ОС, происходящие в результате загрязнения и токсикологического воздействия отходами бурения такого рода. Рассмотрены существующие проблемы, связанные с отходами бурения буровыми шламами, а также приоритетные направления исследования в данной области.
Биотестирование, как один из методов оценки, был применен на практике в постановке эксперимента. По результатам эксперимента можно сделать следующие выводы:
В то же время было установлено некоторое логическое несоответствие между результатами: в мелиорированном БШ при внесении нефти 2,5 г/кг наблюдался высокий биотический отклик, тогда как при добавлении нефти 5 г/кг он резко падал, а при дальнейшем увеличении количества нефти от 17 до 25 г/кг биотический отклик был наилучшим. Стоит отметить, что подобный эффект наблюдается и в результате определения фитотоксичности образцов мелиорированного БШ. Отмеченные экспериментальные парадоксы могут свидетельствовать, с одной стороны, о несовершенстве применяемых в работе методов исследования, а с другой, о существовании неучтенных взаимодействий и более тонких, глубоких и нелинейных взаимосвязей между определяемыми химическими, биологическими, физическими характеристиками.
Полученные результаты биотестирования свидетельствуют о создании более благоприятных условий для проживания биоты в мелиорированном буровом шламе по сравнению с исходными вариантами. Эксперимент показал, что в наилучших смесях содержится значительное процентное содержание цемента, данные смеси характеризовались высокой щелочностью среды. В связи с этим рекомендовать для практического применения данные смеси мелиорированного БШ пока не следует, так как требуется проверка биотического отклика на других тест-объектах, с целью подтверждения сделанных выводов или для выявления новых закономерностей.
Некоторые ученые используют термин «оживление отходов», которое означает аккуратное, но интенсивное техническое окультуривание. Оно включает в себя смешивание с облегчающими, разрыхляющими, активизирующими грунтами и добавками, которые в свою очередь нейтрализуют неблагоприятные инертные физические и химические свойства отходов. И только затем следует переходить к стадии биологического окультуривания, подразумевающее ремедиацию отходов, заселение их подходящими культурами высших растений, микроорганизмов. Однако все перечисленные технологические этапы в природе, по сути, являются частями единого неразрывного процесса почвообразования. Следует отметить, что для каждого отхода необходимо разрабатывать индивидуальный дифференцированный подход с учетом природных условий региона его использования. Проблема актуальна и требует дальнейших исследований в данной области.
Бурение: Зарубеж. опыт. - 1987. - № 4. - С. 7-9
PAGE \* MERGEFORMAT69
EMBED STATISTICA.Graph \s
EMBED STATISTICA.Graph \s
EMBED STATISTICA.Graph \s
EMBED STATISTICA.Graph \s
EMBED STATISTICA.Graph \s
EMBED STATISTICA.Graph \s
EMBED STATISTICA.Graph \s