Раздел 3. Утилизация и обезвреживание прочих нефтесодержащих отходов, включая отходы при бурении, связанном с добычей сырой нефти, природного (попутного) газа и газового конденсата

Раздел 3 Утилизация и обезвреживание прочих нефтесодержащих отходов, включая отходы при бурении, связанном с добычей сырой нефти, природного (попутного) газа и газового конденсата

3.1 Общая информация о деятельности по утилизации и обезвреживанию прочих нефтесодержащих отходов, включая отходы при бурении, связанном с добычей сырой нефти, природного (попутного) газа и газового конденсата

Нефтесодержащие отходы - это различные по составу и физико-химическим свойствам отходы, содержащие углеводородные смеси, образующиеся в процессах хранения, транспортировки и использования нефтепродуктов, строительства, испытания и ремонта нефтяных и газовых скважин.

На территории Российской Федерации ежегодно образуется более 3 млн т нефтесодержащих отходов. Основной вклад в образование нефтесодержащих отходов дают [14]:

- нефтедобывающие компании - более 1 млн т нефтесодержащих отходов и нефтезагрязненных грунтов;

- нефтеперерабатывающие заводы - до 0,7 млн т нефтесодержащих отходов;

- иные источники (железные дороги, аэропорты, морские порты) - 0,5 млн т.

Состав и свойства нефтесодержащих отходов зависят от их происхождения. Основными компонентами нефтесодержащих отходов являются углеводороды нефтяного происхождения (в том числе, смолисто-асфальтеновые вещества), вода и твердые минеральные компоненты различного размера в виде крупных камней, песка, ила и оксидов металлов.

Утилизацию и обезвреживание нефтесодержащих отходов осуществляют более 57 крупных российских предприятий [15].

Сведения о наиболее крупных производителях технологий и оборудования по утилизации и обезвреживанию нефтесодержащих отходов на российском рынке представлены в источнике [16].

3.2 Технологические, технические решения и системы менеджмента, используемые в настоящее время в области утилизации и обезвреживания прочих нефтесодержащих отходов, включая отходы при бурении, связанном с добычей сырой нефти, природного (попутного) газа и газового конденсата

Основными методами утилизации и обезвреживания нефтесодержащих отходов [17] являются:

- химические методы;

- физические методы;

- физико-химические методы;

- биологические методы.

3.2.1 Технологии обезвреживания нефтесодержащих отходов, основанные на химических методах

Химические методы обезвреживания нефтесодержащих отходов предназначены для снижения их токсичности, обусловленной наличием в составе тяжелых металлов.

Сорбционный метод

Область применения. Используется для утилизации и обезвреживания нефтесодержащих отходов всех видов и происхождений, грунтов, загрязненных нефтепродуктами. Температурный диапазон применения технологического процесса - от + 5 до + 50 °C.

Описание метода. Сорбционный метод основан на использовании сорбента на основе глауконитового песка для поглощения углеводородов. Глауконитовый песок является универсальным, доступным, сравнительно дешевым материалом природного происхождения. Сорбент на его основе характеризуется отсутствием в своем составе токсичных примесей, способных переходить из структуры минеральных зерен в окружающую среду. Процесс сорбции может быть проведен в оборудовании с перемешивающим устройством или на технологической площадке.

Текущие уровни эмиссии в окружающую среду. При выполнении работ по обезвреживанию нефтесодержащих отходов и грунтов, загрязненных нефтепродуктами, будет оказываться следующее воздействие на окружающую среду:

- испарение легких углеводородов с поверхности грунтов (в основном на начальных этапах работы);

- шумовое воздействие при работе мотокультиватора;

- загрязнение атмосферного воздуха выбросами (выхлопными газами) от двигателя внутреннего сгорания при работе мотокультиватора.

Для предотвращения попадания сточных вод в основании технологической площадки укладывается гидроизолирующий материал, площадка оборудуется системой отвода сточных вод.

Использование гуминовых препаратов

Область применения. Используется для обезвреживания нефтесодержащих отходов, содержащих подвижные формы тяжелых металлов. Метод применяется в комплексе с биологическими методами обезвреживания нефтесодержащих отходов.

Описание метода. Использование препаратов, содержащих гуминовые кислоты и их соли, позволяет перевести подвижные формы тяжелых металлов в труднорастворимые соединения, снизить токсичность легкорастворимых солей. При взаимодействии гуминовых препаратов с подвижными формами тяжелых металлов в результате обменной реакции образуются устойчивые нерастворимые соединения, инертные по отношению к окружающей среде, неусвояемые растениями, что исключает попадание токсинов в организм животных и человека [18].

Отличительной особенностью гуминовых препаратов является их полифункциональность и химическая активность. Гуминовые кислоты имеют высокую реакционную способность за счет наличия в их молекулах различных функциональных групп (карбоксильных, фенольных, гидроксильных и т.д.), которые эффективно взаимодействуют с различными загрязнителями, снижая их токсичность. Гуминовые соли и кислоты обладают высокой сорбционной способностью, что позволяет связывать сложные органические соединения, способствует ускорению процессов химического и биологического разложения токсикантов, оказывает непосредственное стимулирующее и протекторное действие на растения и микробиоту. Внесение гуминовых кислот усиливает эффект детоксикации и очистки.

3.2.2 Технологии утилизации и обезвреживания нефтесодержащих отходов, основанные на физических методах

К физическим методам утилизации и обезвреживания нефтесодержащих отходов относятся механические методы разделения нефтесодержащих отходов на фракции.

Механические методы разделения нефтесодержащих отходов на фракции. К механическим методам утилизации и обезвреживания нефтесодержащих отходов относятся отстаивание; фильтрация; термомеханическое разделение на фазы; а также сепарационные технологии разделения на две или три фазы (твердую, жидкую и/или углеводородную) посредством использования специальных центрифуг. Методы используются в качестве предварительной подготовки к утилизации и обезвреживанию выделенных фракций.

Фильтрация

Область применения. Используется для фильтрации нефтесодержащих отходов с высоким содержанием нефтепродуктов. Для этих целей применяют ленточные фильтр-прессы.

Описание метода. Для улучшения фильтрации на ленточном фильтр-прессе проводят интенсивное перемешивание нефтесодержащих отходов, усредняющее их состав, добавляют реагенты (золу, полиэлектролиты и другие), изменяющие их физико-химические свойства и облегчающие процесс фильтрации.

Нефтесодержащие отходы, содержащие большое количество воды, плохо поддаются гравитационным методам обезвоживания. Для улучшения фильтрационных свойств таких нефтесодержащих осадков добавляются коагулянты. После коагуляции производится фильтрация на вакуум-фильтре. Влажность полученных осадков составляет от 68 % до 75 % [19]. Использование этой технологии позволяет уменьшить объемы нефтесодержащих отходов за счет частичного обезвоживания.

Текущие уровни эмиссии в окружающую среду. Воздействие на атмосферный воздух за счет испарения легких углеводородов с поверхности отходов.

Термомеханическое разделение на фазы

Область применения. Извлечение углеводородной фракции из нефтесодержащих отходов.

Описание метода. Метод основан на разделении нефтесодержащих отходов на фазы: углеводородную, водную, твердый остаток.

В установке термомеханической очистки нефтесодержащих отходов посредством механического воздействия достигается повышение температуры выше точки кипения воды и нефтепродуктов, входящих в состав отходов. Основной частью технологического блока установки является мельница, на которой происходит интенсивное (на высокой скорости) перемешивание нефтесодержащих отходов с выделением тепла вследствие сил трения. Все крупные частицы перемалываются в пыль, а полученное тепло используется для испарения нефти и воды из нефтесодержащих отходов. Мелкие частицы шлама, увлекаемые парами нефти и воды, улавливаются в гидроциклоне и передаются на первичный охлаждающий конвейер. Работа конденсаторного блока предусматривает: подвод охлаждающей технической воды, отвод извлеченной воды в резервуар, отвод извлеченной нефти в резервуар восстановления нефти, отвод нагретой воды на охлаждение в аппарат воздушного охлаждения, подачу воды в установку дополнительной очистки, отвод летучих фракций, подвод восстановленной нефти в контейнер.

Для удаления незначительного остатка неконденсируемого газа (легких фракций углеводородов) служит система дожига летучих газов при температуре 700-800 °C в течение 1-2 с.

Переработанный шлам для предотвращения его распыления подвергается охлаждению и увлажнению в установке регидратации и подлежит выгрузке в бункер.

Конечными продуктами являются извлеченная нефть и минеральный остаток (кек).

Применение центрифуг

Область применения. Разделение нефтесодержащих отходов на фракции с применением центрифуг возможно для нефтесодержащих отходов с содержанием механических примесей до 15 %. Если механических примесей больше, то нефтесодержащие отходы необходимо разбавлять водой, что требует дополнительного оборудования и снижает производительность.

Описание метода

Для разделения нефтесодержащих отходов на фазы используется центрифуга шнековая горизонтальная осадительная непрерывного действия. Центрифуги бывают двухфазные (декантеры) и трехфазные (трикантеры). Соответственно, первые служат для простого обезвоживания нефтесодержащих отходов (т.е. разделяют нефтесодержащие отходы на жидкость и механические примеси), а вторые дополнительно разделяют жидкую фазу на две составляющие, например, нефть и воду. Скорость вращения центрифуг - от 2 до 5 тыс. оборотов в минуту. Это обеспечивает высокую эффективность разделения.

Достоинствами осадительных шнековых центрифуг являются механизация выгрузки осадка из ротора и непрерывность работы. Это позволяет автоматизировать технологический процесс, полностью исключив при этом ручной труд. В некоторых технологических процессах можно обойтись без расходных материалов (коагулянтов, флокулянтов), что снижает эксплуатационные затраты. Нефтесодержащие отходы поступают в центрифугу посредством питающего патрубка, где они разгоняются до рабочей скорости и сбрасываются в основную камеру центрифуги через впускные отверстия. В этой камере под воздействием центробежной силы механические примеси в короткий промежуток времени осаждаются на стенках барабана, который выполнен в виде цилиндра с переходом в коническую форму. Такая форма конструкции позволяет обеспечить высокую степень очистки продукта в цилиндрической части и хорошее обезвоживание твердых частиц в конической части барабана. Шнек вращается с другой скоростью, чем барабан, и непрерывно выводит выделенные твердые частицы в узкий конец барабана. В общем виде устройство центрифуги представлено на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 - Устройство центрифуги

Благодаря конической форме барабана механические примеси извлекаются из жидкости и при прохождении через "зону обезвоживания", свободную от воздействия жидкости, обезвоживаются также под воздействием центробежных сил. В заключительной фазе процесса твердые вещества выводятся через отверстия в узкой части барабана и попадают в камеру для сбора твердых частиц, которая располагается в корпусе декантера, и далее "выдавливаются" наружу. В то же время жидкость отводится через противоположный конец барабана под воздействием шнека, где она, будучи за счет центробежной силы разделена на две фазы, выводится самотеком через два сливных отверстия.

Принципиальная схема переработки нефтесодержащих отходов с применением трикантера [20] представлена на рисунке 3.2.

Рисунок 3.2 - Принципиальная схема переработки нефтесодержащих отходов с применением трикантера

Влажность кека (выделенной твердой фазы) может достигать 0,4 %. Содержание твердой фазы в жидкости после декантирования может достигать 0,1 % (об.) [21].

3.2.3 Технологии утилизации и обезвреживания нефтесодержащих отходов, основанные на физико-химических методах

Физико-химическим методом утилизации и обезвреживания нефтесодержащих отходов является капсулирование.

Капсулирование

Область применения. Используется для утилизации и обезвреживания жидких и твердых нефтесодержащих отходов.

Описание метода. Этот способ позволяет обезвреживать отходы, а полученные продукты в ряде случаев использовать. Отходы подвергают обработке оксидом щелочно-земельного металла, предварительно обработанного ПАВ в отношении "отходы-реагент" (1:1-10). После смешения с отходами оксид щелочно-земельного металла образует с водой гидроксид, в результате чего отходы равномерно им адсорбируются. Реакция протекает с выделением тепла, значительным увеличением объема за счет диспергирования оксида щелочно-земельного металла.

В итоге получают сухой, сильно гидрофобный порошок. Материал инертен в отношении воздействия на воду и почву, так как мельчайшие частицы токсичных компонентов заключены в известковые оболочки - капсулы, которые равномерно распределены в массе продукта, водонепроницаем, морозоустойчив, обладает высокой плотностью, что позволяет выдерживать нагрузки до 90 МПа (900 кгс/см ²).

В качестве оксидов обычно используют оксиды кальция и магния, а в качестве ПАВ - стеариновую кислоту, диизооктилсульфосукцинат натрия, пальмитиновую кислоту, парафиновое масло, нонилфенолтетрагликолевый эфир и т.д. [22].

Обезвреживание и утилизация нефтесодержащих отходов физико-химическим методом может проводиться как на открытой местности без использования специального оборудования (установки), так и с его использованием. На рисунке 3.3 показана схема установки обезвреживания нефтесодержащих отходов физико-химическим методом.

Нефтесодержащие отходы поступают в бункер 1 и шнеком 2 перемещается в реактор-смеситель 3. Необходимые реагенты из резервуара 4 проходят через дозатор 5 и шнековым конвейером 6 подаются в реактор-смеситель 3. Обезвреженный продукт отводится из установки ленточным транспортером 7. Управление процессом осуществляется при помощи пульта 8. Проведение процесса связано с образованием выбросов: пыли, легких фракций углеводородов, меркаптанов, сероводорода. Для очистки от данных загрязнителей могут использоваться ионообменные вентиляционные фильтры.

1 - загрузочный бункер; 2 - шнек; 3 - реактор-смеситель; 4 - резервуар для реагентов; 5 - дозатор; 6 - шнековый конвейер; 7 - ленточный транспортер; 8 - пульт управления

Рисунок 3.3 - Схема установки обезвреживания нефтесодержащих отходов физико-химическим методом [23]

В случае если обезвреживание нефтесодержащих отходов проходит без применения установки, то технологический процесс сводится к следующему. Нефтесодержащие отходы, доставленные автотранспортом или экскаватором на специально обустроенную площадку, равномерно распределяются по ее поверхности слоем определенной толщины. На слой нефтесодержащих отходов разбрасывающими машинами наносится химический гидрофобный реагент на основе щелочно-земельного металла. Пропорциональное соотношение смешиваемых веществ определяет химический анализ. Материалы тщательно перемешиваются движущимися почвенными фрезами до получения достаточно однородной смеси. Между молекулами воды, содержащейся в смеси, и щелочно-земельным металлом происходит экзотермическая реакция, которая начинается примерно через полчаса после перемешивания и протекает вначале медленно, постепенно ускоряется при сильном разогреве смеси и сопровождается образованием пара и вспышками [22].

Текущие уровни эмиссии в окружающую среду. В процессе применения описанной технологии образуются выбросы в атмосферный воздух, связанные с испарениями нефтепродуктов и работой двигателей автомобильного транспорта.

3.2.4 Технологии утилизации и обезвреживания нефтесодержащих отходов, основанные на биологических методах

Группа технологий, основанная на биологическом методе переработки нефтесодержащих отходов, предполагает добавление к отходам микроорганизмов, которые вызывают биодеструкцию нефтяной фазы. Известны многочисленные биопрепараты и агротехнические приемы, интенсифицирующие разрушение углеводородного компонента.

Биологические методы утилизации и обезвреживания нефтесодержащих отходов являются одними из наиболее экологически чистых, но область их применения ограничивается конкретными условиями: диапазоном активности биопрепаратов, температурой окружающей среды, кислотностью, аэробными условиями [24].

Биологические методы применяют при обработке нефтесодержащих отходов, образующихся при очистке емкостей и резервуаров от нефтепродуктов, нефтезагрязненных грунтов.

Биологические методы обезвреживания нефтесодержащих отходов подразделяются на биоремедиацию и фиторемедиацию. Биоремедиация - метод разложения нефти и нефтепродуктов введенными в нефтесодержащий отход нефтеокисляющими микроорганизмами. Фиторемедиация основана на внесении удобрений и посеве специфических видов трав. Часто при обезвреживании нефтесодержащих отходов эти методы используются совместно.

Биоремедиация

Область применения. Применяется для нефтесодержащих отходов и грунтов, загрязненных нефтью и нефтепродуктами.

Описание метода. Биоремедиация нефтесодержащих отходов и грунтов, загрязненных нефтепродуктами, представляет собой набор техник, основанных на применении биологических агентов для очистки почв и грунтов от загрязняющих веществ.

Технологическая схема процесса утилизации и обезвреживания нефтесодержащих отходов биологическими методами приведена на рисунке 3.4.

Рисунок 3.4 - Технологическая схема процесса утилизации и обезвреживания нефтесодержащих отходов биологическими методами

Одним из типов технологий, применяемых при биоремедиации, является использование биореакторов. Перед помещением в биореактор из нефтесодержащих отходов удаляются крупные камни, отход подвергается перемешиванию, что делает его более однородным; после добавления воды образуется глинистая суспензия. В данную суспензию вносятся проводящие очистку от поллютанта почвы микроорганизмы, для которых в реакторе создаются оптимальные условия.

Для осуществления процесса в твердофазном биореакторе необходимы определенная влажность и внесение органических наполнителей (солома, сено, лузга подсолнечная, торф, опилки и др.). Органический наполнитель предварительно измельчается до фракции 1-3 мм. Необходимое количество наполнителя рассчитывается исходя из заданной начальной влажности смеси (от 60 до 65 %). Технологическая схема обезвреживания нефтесодержащих отходов в твердофазном биореакторе представлена на рисунке 3.5.

1 - измельчитель; 2.1, 2.2, 2.3, 2.4 - транспортеры; 3.1, 3.2 - бункеры; 4 - смеситель; 5 - емкость; 6 - насос; 7 - биореактор; 8 - вентилятор; 9 - перемешивающее устройство; 10 - ковшовый погрузчик

Рисунок 3.5 - Технологическая схема обезвреживания нефтесодержащих отходов в твердофазном биореакторе

Суспензия биопрепарата готовится в емкости с мешалкой, в нижнюю часть которой компрессором подается сжатый воздух.

Отходы, органический наполнитель и готовый биопрепарат подаются в смеситель механического типа и после перемешивания в течение 20 минут перемещаются в твердофазный биореактор.

В твердофазный биореактор непрерывно в течение всего процесса снизу вентилятором подается воздух из расчета 20-30 м ³ воздуха на 1 м ³ обезвреживаемой смеси в час. С периодичностью один раз в несколько суток производится перемешивание смеси специальным устройством на всю глубину. Процесс проводится до получения требуемого содержания нефти в обезвреживаемой среде.

Другой подход биоремедиации заключается в том, что нефтесодержащие отходы размещаются на специально обустроенной площадке, ее обеспечивают аэрацией, питательными веществами и водой для стимуляции роста и метаболизма микроорганизмов, осуществляющих биоремедиацию. По сравнению с биоремедиацией в биореакторах, данная технология требует выделения больших площадей и занимает больше времени. Можно выделить несколько различных вариантов такого подхода.

В одном из вариантов нефтесодержащие отходы распределяют тонким слоем на площади, специально огороженной по периметру для предотвращения распространения загрязнения за ее пределы. Отход вспахивают для обеспечения доступа кислорода почвенным микроорганизмам и добавляют стимулирующие их рост вещества. Также над отходами разбрызгивают воду, что позволяет поддерживать оптимальную влажность и понижает запыленность воздуха.

Нефтесодержащие отходы можно также складывать толстым слоем высотой 1-3 м. При этом аэрация путем вспахивания заменяется аэрацией с помощью системы труб, доставляющих в отходы воздух для стимуляции биодеградации. Также в нефтесодержащие отходы добавляют удобрения и поддерживают на определенном уровне влажность.

При смешивании отходов с большим количеством разрыхлителей (сена, кукурузных кочерыжек, соломы) аэрацию можно осуществлять с помощью вакуумных насосов или вентиляторов либо путем перемешивания в специальных резервуарах. Еще один вариант - размещение нефтесодержащих отходов с разрыхлителем в длинные кучи, регулярно перемешиваемые тракторами. После каждого перемешивания отходы укрывают, что позволяет поддерживать нужную температуру и влажность [25].

Обычно для очистки используют сообщества бактерий Bakterium, Actinomyces, Artrobactes, Thiobacterium, Desullfotomasilium Pseudomons, Hydiomonas, Bacillus и другие, а также низшие формы грибов.

Все виды дрожжей Candida разлагают ароматические соединения с концентрацией до 1 % в грунтах за 120-200 сут, Candida sp. поглощает керосин [26], Candidaliprolytica - сырую нефть. Нефть на поверхности почвы уничтожают бактерии Actmomycorelegans и Geotrichummarium.

Бактерии вида Actmebacter sp. дают 80-процентный эффект очистки от ароматических соединений по истечении пяти недель.

Препараты эффективно окисляют нефтепродукты, ароматические углеводороды в температурном диапазоне 15-45 °C при значительных начальных концентрациях загрязнений в грунтах.

При бездефицитном питании бактерий эффективность очистки составляет > 90 %.

Текущие уровни эмиссии в окружающую среду. При проведении работ будут образовываться выбросы в атмосферный воздух, связанные с испарением нефти и нефтепродуктов, а также работой двигателей автотранспортных средств и спецтехники. В атмосферный воздух от работающей на площадке техники будут поступать такие загрязняющие вещества, как пыль неорганическая, оксиды азота, углерода, серы, сажа, углеводороды.

Технологические площадки являются потенциально опасными объектами воздействия по уровню шума и вибрации на окружающую среду. Образуются вторичные отходы, для которых необходимо определить способ удаления. Есть риски загрязнения подземных вод.

3.3 Текущие уровни потребления ресурсов и эмиссий в окружающую среду при утилизации и обезвреживании прочих нефтесодержащих отходов, включая отходы при бурении, связанном с добычей сырой нефти, природного (попутного) газа и газового конденсата

При обезвреживании нефтесодержащих отходов любым из указанных методов (как правило, на начальных стадиях, на этапах транспортировки, погрузки в реактор и т.п.) происходит загрязнение атмосферного воздуха в связи с испарением легких углеводородов с поверхности отхода.

Предотвращение миграции токсикантов (углеводородов и соединений тяжелых металлов) с площадок производства работ по обработке, утилизации и обезвреживанию нефтесодержащих отходов в сопредельные среды (геологическую среду, подземные воды и т.п.) должно выполняться посредством гидроизоляции этих площадок, оснащения водосборными системами и с локальными очистными сооружениями (при необходимости) и прочих природоохранных устройств.