Курсовая работа: Нефтепродукты в почве, методы обнаружения и способы удаления

Торможение развития растений является результатом загрязнения почвы. Замечено много случаев развития гигантизма у растений или наоборот карликовость. Ученые считают, что карликовость растений подразумевает результат сильного загрязнения и сопровождается уменьшением корневой системы растений.

Факторами, определяющими ингибирующее воздействие нефти и НП на активность почвенных ферментов, являются:

1. Токсичное влияние тяжелых металлов (ТМ), содержащихся в нефти.

2. Обволакивание почвенных частиц нефтяными углеводородами, препятствующее взаимодействию ферментов с субстратом, иммобилизации ферментов на их носителях.

3. Присутствие ароматических углеводородов.

4. Токсичное воздействие продуктов окисления некоторых углеводородов на почвенную биоту и активность ферментов.

5. Значительное увеличение соотношения C:N, что обусловлено ростом содержания углерода при попадании углеводородов в почву.

В целом, загрязнение нефтью или моторным маслом оказывает более негативное влияние на микробоценоз почвы, чем бензин или дизельное топливо. Более тяжёлые углеводороды приводят к заметной перестройке комплекса микроорганизмов и структуры доминирования, при этом повышается рост разнообразия бактерий и снижение - грибов. На нефтяных месторождениях на этапе разведочных работ загрязнение почвенного покрова происходит за счет разливов дизельного топлива, отработанных буровых растворов, содержащих нефть и аккумулирующихся в котлованах сборниках, а также газоконденсаторной смеси легких углеводородов.

Понижение концентрации кислорода в почве способствует развитию анаэробных микроорганизмов, развитие аэробной микрофлоры затормаживается. Восстановление численности полезных микроорганизмов наблюдается через несколько месяцев после загрязнения. Загрязнения почв нефтепродуктами создают новую экологическую обстановку с соответствующим числом организмов в почве. Следствием нарушения водно-воздушного баланса является усиление эрозии почвы. Это, в свою очередь, приводит к ухудшению состояния растительности и падению продуктивности земель.

Постепенное увеличение концентрации нефтепродуктов на поверхности почвы в совокупности с процессами испарения и разложения их легких фракций приводит к накоплению трудно разлагаемых углеводородов, таких как твердые парафины, циклические углеводороды, ароматические углеводороды, смолы и асфальтены, которые запечатывают поры почвенного покрова.

В итоге при загрязнении почвы нефтепродуктами наблюдается замедление развития среды, при которой, наряду с изменением морфологических, физико-химических характеристик почв, снижается их биологическая активность и длительный период сохраняется фитотоксичность почвы, что препятствует нормальному функционированию всего биогеоценоза.

1.3 Степень загрязненности почв

В нашей стране имеются большие территории загрязненные нефтью и нефтепродуктами и главной целью экологических служб является борьба с причинами загрязнения и очисткой земель.

Загрязнение почв нефтью и нефтепродуктами относится к весьма распространенному типу негативного антропогенного воздействия, особенно в промышленных регионах России. Ключевым элементом в цепи экологических последствий нефтяного загрязнения является изменение видового состава растительного покрова и уменьшение его продуктивности вплоть до полной гибели всех растений на загрязненном участке.

Почвы считаются загрязненными нефтью и нефтепродуктами, если их концентрация достигает уровня, при котором:

1. начинается угнетение или деградация растительного покрова;

2. нарушается экологическое равновесие, исчезают виды альгофлоры, мезофауны;

3. изменяются водно-физические свойства и структура почв;

4. заметно возрастает доля углерода нефтепродуктов в некарбонат­ном (органическом) углероде почв;

5. падает продуктивность сельскохозяйственных земель;

6. происходит вымывание нефтепродуктов из почв в подземные и поверхностные воды.

В связи с большим разнообразием типов почв, не может быть единого показателя загрязнения почв для всей территории России.

Таблица 1 Показатели уровня загрязнения земель нефтью и нефтепродуктами

Почва может быть сильнозагрязненной, но нетоксичной или слаботаксичной и, наоборот, слабозагрязненной, но сильнотоксичной. Токсичное действие одних компонентов может быть нейтрализовано или усилено присутствием других, поэтому токсичность почвы не определяется токсичностью отдельных соединений, содержащихся в ней. Необходимо оценивать интегральную токсичность почвы, отражающую влияние всего комплекса.

Таблица 2

Проблема загрязнения почв, находящихся в зоне влияния Вахитовского месторождения (Оренбургская область). Вахитовское нефтяное месторождение расположено в Переволоцком районе, в 32 километрах к северу от районного центра Переволоцкий. Месторождение введено в разработку в 1995 году, в настоящее время в добывающем фонде числится 20 скважин.

Почвы анализировались на содержание кислотообразующих примесей, металлов, бенз(а)пирена, нефтепродуктов и рН. Были рассчитаны: концентрации загрязняющих веществ, коэффициент концентрации, относительно фоновых значений содержания примесей в почве и показатель химического загрязнения почв с использованием метода профилирования. Выделены приоритетные примеси среди кислотообразующих веществ и металлов. Проведено ранжирование по суммарному химическому загрязнению почв, которое показало, что исследуемую территорию на расстоянии до 1500 метров от источника загрязнения можно отнести к зоне с чрезвычайной экологической ситуацией. Определен показатель фитотоксичности почв из которого следует, что почвы находящиеся в зоне влияния Вахитовского месторождения на расстоянии до 1500 метров являются сильно деградированными [6]. Безопасный уровень содержания нефтепродуктов в почвогрунтах для территории России отвечает низкому уровню загрязнения и составляет 1000 мг/кг. Ниже этого уровня в почвенных экосистемах разных природных зон происходят относительно быстрые процессы самоочищения и негативное влияние на окружающую среду незначительно.

Экологический ущерб от загрязнения углеводородами весьма велик - от снижения качества и продуктивности почв до вывода земель из сельскохозяйственного оборота [7]. Особенно остро эта проблема стоит в регионах Черноземной зоны РФ, где в результате аварийных розливов НП загрязняются самые ценные для сельского хозяйственного использования почвы.

2. Методы обнаружения нефтепродуктов

2.1 Определение методом ИК-спектроскопии

Для идентификации нефтепродуктов в почве используется метод ИК-спектроскопии. Необходимость контроля содержания нефти и нефтепродуктов в районах промышленных производств, нефтедобычи, на данный момент, является актуальной задачей, в связи с усиливающимся техногенным воздействием на окружающую среду.

Задачи определения нефтепродуктов в почвах исключительно сложные. Для их решения привлекают самые разнообразные методы предварительного выделения, разделения, концентрирования и конечного определения нефтепродуктов. В аналитической практике принято считать нефтепродуктами сумму неполярных и малополярных углеводородов (алифатических, алициклических, ароматических), растворимых в гексане и не сорбирующихся на оксиде алюминия. Применение методов анализа, в которых за нефтепродукты принимают суммарное содержание всех органических веществ, извлекаемых каким бы то ни было растворителем, недопустимо.

Структурно-групповой состав нефти и компонентов в почве определяется по интенсивности характеристических полос поглощения в ИК-спектрах с использованием общей базовой линии с фиксированными точками 1850 и 650 см-¹. Для средней молекулы оценивается содержание метиленовых групп (СН₂) по полосе поглощения 720 см-¹, метильных групп (СН₃) по полосе поглощения 1380 см-¹, сульфоксидных групп (SO) по полосе поглощения 1030 см-¹ и карбонильных групп (СО) в области 1720-1700 см-¹ относительно ароматических связей С=С-связей по полосе поглощения 1600 см-¹ [9].

ИК-спектрометрия использована для изучения химического состава твердых углеводородов. Для идентификации характеристических полос поглощения в ИК-спектрах парафиновых и твердых нефтяных углеводородов были сняты спектры жидких ароматических и парафинонафтеновых углеводородов, выделенных жидкостной хроматографией на силикагеле из нефтяных масел и полупродуктов их производства. Присутствие неразветвленных парафиновых структур доказывалось сильными полосами поглощения при 720 и 1300 см-¹. Степень разветвленности парафиновых цепей углеводородов оценивалась по полосам поглощения в области 1376 и 1464 см¹, которую предложено охарактеризовать с помощью коэффициента в, представляющего собой отношение интенсивностей наиболее характерных полос поглощения для СН₃- и СН₂-групп.

Чем больше это соотношение, тем выше степень разветвленности парафиновых структур в нефти и нефтепродуктах.

Для исследования ароматических структур наиболее информативны полосы поглощения 812-816 и 1600 см-¹. Степень ароматичности может быть охарактеризована некоторыми коэффициентами, представляющими собой соотношение интенсивностей наиболее характерных полос поглощения для ароматических структур относительно метиленовых групп парафиновых структур.

Инструментальные методы контроля ведутся на эпизодических и режимных пунктах наблюдения службой по охране окружающей среды и включают весовой метод определения нефтепродуктов в почве и определение фракционного состава нефтепродуктов. Для весового метода пробу почвы (фракция менее 1 мм) экстрагируют хлороформом и после отгонки растворителя взвешивают битуминозные вещества. Определение фракционного состава проводят методом тонкослойной хроматографии. Рекомендовано также проводить инфракрасное (ИК)-спектрометрическое определение нефтепродуктов, основанное на экстракции нефтепродуктов из почвы четыреххлористым углеродом, очисткой элюатов на колонке с окисью алюминия и измерении интенсивности С-Н связей метильных и метиленовых групп в области 2700-3100 см^-1. При этом чувствительность ИКС метода составляет 0,02 г/кг почвы.

И к преимуществам, и к недостаткам ИК-спектроскопического метода относится в первую очередь наличие стандартных образцов. С одной стороны, стандарт позволяет дать количественную характеристику. Это хорошо видно на чистых нормальных углеводородах. Однако стандарт состоит из смеси двух нормальных углеводородов и бензола, который этим методом не обнаруживается.

Суммарная массовая концентрация трех веществ составляет 50 г/дм³, которая и присвоена стандарту, но реальная концентрация алканов порядка 37 г/дм³, то есть меньшей величине присвоена большая. Другим недостатком является тот факт, что в ИК-области поглощают только СН2- и СН3- группы, поэтому, например, при количественном анализе производных ароматических углеводородов, которые наиболее токсичны, и в своем составе имеют лишь несколько таких групп регистрируется низкий сигнал относительно истинного содержания данного соединения.

Метод определения массового содержания нефтепродуктов методом ИК-спектрометрии основан на экстракции нефтепродуктов из пробы органическим неполярным растворителем (ЧХУ), с последующей очисткой экстракта от полярных соединений на хроматографической колонке.

Таблица 3 Метрологические характеристики методики измерения массового содержания нефтепродуктов методом ИК-спектрометрии

2.2 Флуоресцентный метод