Как очистить воду от нефти

Не слишком понятная история с загрязнением Авачинского залива в районе полуострова Камчатка вновь вызвала интерес к тому, что можно противопоставить отравлению Мирового океана. Обозреватель «Ъ-Науки» кандидат химических наук Владимир Тесленко подготовил обзор имеющихся методов.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

Больше половины всех загрязнений приходится на нефть и нефтепродукты. Обязательным условием эксплуатации установок и сооружений, связанных с разведкой, добычей, транспортировкой и использованием нефти и нефтепродуктов, является наличие заранее предусмотренных мер и средств предупреждения и ликвидации аварийных разливов нефти и нефтепродуктов (ЛАРН). К причинам, вызывающим разливы нефти, относятся как техногенные, так и природные факторы. Техногенные факторы — различные воздействия на сооружение, вызванные выходом из строя оборудования, нарушениями производственного процесса, нарушениями условий эксплуатации и т. п. Среди природных факторов стоит выделить сильные ураганы и штормы; выбросы нефти и газа из залежей с аномально высокими пластовыми давлениями; выбросы газа из неглубоких природных залежей (газовых карманов); проседание морского дна при разработке залежей; слабые донные грунты и оползни; землетрясения.

Структура загрязнений в каждом регионе разная. Как правило, нефтепродукты дополняются тяжелыми металлами и радионуклидами, остатками пестицидов и удобрений, а также устойчивыми пластмассами.

Девять экологически опасных ингредиентов

Об акватории Японского моря рассказал Николай Бортин, руководитель ДальНИИВХ (Владивосток):

— Одной из самых загрязненных бухт на Дальнем Востоке является бухта Золотой Рог: она объект комплексного водопользования и потому подвержена значительному антропогенному воздействию. Бухта и впадающие в нее река Объяснения и ручей Буяковка стали приемниками сточных вод предприятий и ливневых вод с урбанизированной территории. Это привело к значительному загрязнению вод и донных отложений бухты. Забор воды из Уссурийского залива для охлаждения агрегатов Владивостокской ТЭЦ-2 и отведение ее в реку Объяснения в объеме 206,6 млн куб. м в год увеличил водообмен бухты Золотой Рог с 0,3:1 до 3,2:1. Нами выявлен перечень приоритетных ингредиентов, влияющих на экологическое состояние бухты, приносимых со сточными водами предприятий, с ливневыми и талыми сточными водами. Их девять: легко окисляемые органические вещества, взвешенные вещества, нефтепродукты, фосфаты, аммонийный азот, фенолы, поверхностно-активные вещества, железо, жиры. Для реки Объяснения кроме перечисленных выше веществ добавляются еще и нитриты. Наибольшее негативное воздействие на качество вод и гидробионты бухты в ливневом стоке оказывают пять ингредиентов: легко окисляемые органические и взвешенные вещества, нефтепродукты, фенолы и железо.

О загрязнении Азовского моря тяжелыми металлами нам рассказала доцент кафедры экологии и природопользования МГРИ Марина Буфетова:

— Азовское море относится к морским экосистемам повышенного экологического риска с интенсивной антропогенной деятельностью. Тяжелые металлы являются консервативными загрязнителями. Поэтому основные механизмы самоочищения морской среды связаны только со снижением их концентраций в воде за счет миграции в смежные акватории и с седиментационной элиминацией в донные отложения. В штормовых условиях периодически наблюдается некоторая ремобилизация загрязняющих веществ в водную толщу за счет взмучивания донных осадков. Но исследования их содержания в колонках донных отложений показали, что основная часть загрязняющих веществ достаточно прочно депонируется в грунтах. Поэтому оценки депонирования загрязняющих веществ в донные отложения могут с достаточной степенью адекватности характеризовать седиментационное очищение вод. Показатели свинца, кадмия, меди и цинка в различные годы превышали предельно допустимую концентрацию в воде Азовского моря, что указывает на неблагоприятную экологическую обстановку в водоеме. Анализ скорости осадконакопления и содержания тяжелых металлов в донных осадках показал, что седиментационные процессы протекают на сезонных и годовых масштабах времени, а потоки депонирования тяжелых металлов являются значимым фактором седиментационного самоочищения вод

Основные методы очистки от нефтепродуктов:

— Механический сбор.

Механический сбор загрязнений ведется лопатами, ведрами, бочками, бульдозерами, самосвалами, земснарядами, скиммерами, тралами, сетями.

— Сорбция.

В мире известно около двух сотен различных поглотителей (сорбентов), которые используются для ликвидации разливов «плавающих» химикатов, в первую очередь нефти и нефтепродуктов — начиная от вылущенных початков кукурузы, соломы, опилок и заканчивая многофазными бионеорганическими нанокомпозициями. При ликвидации разливов (утечек) нефти российские специалисты руководствуются постановлением правительства 2000 года №613 «О неотложных мерах по предупреждению и ликвидации аварийных разливов нефти и нефтепродуктов».

Гендиректор аналитической группы «Инфомайн» Игорь Петров объясняет, что сорбенты разделяются по принципу действия: адсорбенты и абсорбенты.

Адсорбенты — материалы, для которых характерен процесс поглощения, или «связывания», нефти путем физической поверхностной адсорбции. Явление адсорбции возникает из-за наличия взаимного притяжения между молекулами адсорбента и нефти на границе раздела соприкасающихся фаз. В связи с этим количество поглощаемого этими материалами вещества прежде всего зависит от их свободной площади и свойств поверхности.

Процесс адсорбции в реальных условиях доминирует лишь в случаях поверхностной очистки водоемов от тонких молекулярных пленок нефти и нефтепродуктов. В случае применения порошковых адсорбентов для очистки сильно загрязненной нефтью поверхности воды наряду с процессом адсорбции протекает процесс сгущения нефти вследствие образования суспензии гидрофобных частиц в жидкой фазе (порошковые гидрофобные материалы выступают как вещества-сгустители). При контакте твердых олеофильных частиц с большим количеством нефти вокруг них образуются мицеллы, взаимодействующие между собой с образованием своеобразной сетчатой структуры, что значительно увеличивает вязкость суспензии в целом, приводя при достижении больших концентраций порошковых адсорбентов в нефти к образованию достаточно плотных конгломератов.

Абсорбенты — материалы, для которых характерен диффузионный процесс поглощения нефти и нефтепродуктов всем своим объемом. Эффективность процесса зависит от химического родства материалов сорбентов и впитываемой жидкости, а также от структуры вещества абсорбента. Впитываясь, нефть сперва смачивает поверхность абсорбента, а затем более медленно проникает в пористую структуру материала и заполняет все имеющиеся пустоты под действием в основном капиллярных сил.

Общим для всех структурообразующих материалов абсорбентов являются гидрофобность и олеофильность их поверхности. Абсорбция нефтепродуктов представляет собой два процесса с различными направлениями действия. В капиллярах с гидрофобными поверхностями неполярная жидкость под действием атмосферного давления может подниматься выше их начального уровня за счет так называемого капиллярного эффекта. Чем меньше диаметр капилляра, тем выше уровень подъема. На этом принципе построено явление, получившее название капиллярного насоса, при котором в контакт с нефтью в первый наибольший по диаметру капилляр последовательно входят капилляры меньших диаметров, что обеспечивает максимальный подъем нефти по высоте. Капиллярное перемещение жидкости по горизонтали также определяется атмосферным давлением; при этом, для того чтобы происходил этот процесс, толщина слоя нефтепродукта, контактирующего с абсорбентом, должна быть больше, чем молекулярный слой. Атмосферное давление и давление слоя нефти суммируют вне зоны сорбента и в сорбенте. Разница этих давлений обуславливает появление горизонтальной составляющей, под действием которой происходит начальное заполнение структурных пустот абсорбента. Макропоры и микропоры в структуре этого материала выступают в качестве дополнительных капилляров, имеющих меньший диаметр, вследствие чего суммарная капиллярная структура абсорбента осуществляет впитывание нефти по принципу капиллярного насоса.

В ликвидации утечек нефти и нефтепродуктов неорганические сорбенты на основе вермикулита и активированных углей традиционно занимают существенную долю.

К основным преимуществам активных углей относятся их низкая стоимость и хорошая кинетика сорбции. Исходным сырьем для производства активных углей может служить практически любой углеродсодержащий материал: каменный уголь, древесина, полимеры, отходы шинной, целлюлозно-бумажной и других отраслей промышленности.

Одним из широко используемых направлений в практике создания и использования сорбентов являются сорбенты на основе торфа, запасы которого на территории России составляют около 200 млрд тонн — это 62% мировых запасов.

— Биотехнологии.

Под понятием «биологические сорбенты» подразумеваются твердые сорбенты, иммобилизированные (зараженные) культурами микроорганизмов, обеспечивающих биологическое разложение нефти и нефтепродуктов. В настоящее время разработано несколько десятков биосорбентов, отличительной особенностью которых является разнообразие используемых носителей (сорбентов) и иммобилизированных на них культур микроорганизмов.

Известен, например, способ очистки воды от нефтяных загрязнений с помощью сорбента на основе гидрофобизированного силикагеля, иммобилизированного культурой Candida Intermedia. Другой сорбент на основе алюмосиликатных носителей, выбранных из ряда: каолин, перлит, цеолит,— предусматривает нанесение микроорганизмов из ряда Pseudomonas Aerugenosa, Methamonomas Vetharia, Basterium Aliphaticum, Basillus Totulicum, Mycobocterium Iagicola и др.

Большой популярностью среди микроорганизмов пользуются различные виды штаммов бактериальной культуры Rhodococcus. Для повышения эффективности размножения и роста бактерий указанную культуру вносят совместно с источниками азота и фосфора.

Более сложные сорбенты содержат инертный пористый носитель на основе алюмосиликатного сырья (глины) и консорциума микроорганизмов-штаммов Rhodococcus SP 367-2, Rhodococcus Maris 367-5, Rhodococcus 367-6, Pseudomonas Stutzeri 367-1, Yarrowiaipolytica 367-3. Однако этот носитель на глинистой основе не обладает развитой поверхностью пор, поэтому его эффективность не может быть высокой.

— Комплексный подход

При ЛАРН применяют комплексный подход, включая контролируемое сжигание на воде.

Член-корреспондент РАН Александр Кучин, директор Института химии ФИЦ Коми НЦ УрО РАН:

— В нашем институте созданы сорбенты нефти и нефтепродуктов на основе растительных полимеров, источником которых является любое лигноцеллюлозное сырье (древесного и травянистого происхождения, включая полуфабрикаты целлюлозно-бумажной промышленности и отходы переработки древесины, макулатуру). Химическая модификация основы экологически безопасными (микробиологически утилизируемыми) компонентами по малозатратной технологии (невысокая температура, атмосферное давление, отсутствие конечной стадии промывки продукта) приводит к получению сорбента адсорбционного и абсорбционного действия. Благодаря чему сорбент селективно и быстро (за 30–60 сек.) поглощает с водной поверхности нефть, нефтепродукты и другие органические загрязнения (9–12 г на 1 г сорбента) со степенью очистки воды 90–95%, сохраняя длительное время (до 30 суток) плавучесть в насыщенном виде. Нефтенасыщенный сорбент может быть использован для иммобилизации углеводородокисляющими и древоразрушающими микробными культурами для биоразложения.

В Институте биологии ФИЦ Коми НЦ УрО РАН получен комплексный биогеосорбент для очистки нефтезагрязненных почв и биоремедиации нефтезагрязненных объектов на основе минеральной матрицы (глауконита) и биопрепарата «Биотрина» (альго-бактериально-дрожжевой консорциум). Состав биогеосорбента обеспечивает необходимую эффективность очистки при малых нормах расхода, сорбционная нефтеемкость составляет 5–8 г на 1 г сорбента. Хозяйственные субъекты обязаны планировать мероприятия по ЛАРН, в том числе надледные и подледные. Аварийная очистка морей осуществляется по факту загрязнений.