Общобългарска асоциация на петролните и газови сервизни фирми - Тежки метали в петрола
Съставът на нефта и пластовите води на нефтените находища включва тежки метали, които са химични елементи с единица атомна маса над 50.
В нефтената пепел са открити Fe, Mn, Cr, Co, Ni, V, Mo, Cu, Zn, Pb, Hg, Sn и др., сред които има елементи (V, Ni, Zn и др.), попаднали в маслото от живи организми в далечното геоложко минало. В същото време V и Ni в някои видове тежък нефт имат концентрации, достатъчни за промишленото им извличане. Как да се справим с тях и къде да кандидатстваме?
Тежки метали от петролен произход навлизат в околната среда по време на добива, транспортирането и рафинирането на петрол. По този начин оценката на съдържанието на Cd, Pb, Zn и Ni в местата на сондажи в зависимост от концентрацията на разлято масло в почвата, извършена от I.A. Лавриненко и О.В. Лавриненко през 1998 г. показа наличието на пряка връзка между тези показатели. Според Т.Я. Корчина и В.И. Корчин (2011), отрицателното въздействие на нефтените сондажни платформи засяга в радиус от 2 km или повече, тъй като Pb, Cd и други тежки метали, съдържащи се в отработените газове на дизеловите задвижвания, се утаяват върху почвата. Когато свързаният нефтен газ се изгаря на факел, тежките метали в състава на получените сажди също се утаяват и замърсяват околните райони. Подобна неблагоприятна ситуация се развива в случай на аварийни разливи на нефт и неговото запалване, което може да възникне в резултат на механични повреди на нефтопроводи по време на ремонтни работи или неразрешени (престъпни) връзки към тях, както и преобръщане на железопътни цистерни с масло по време на маневрени операции.
Дългосрочното излагане на хора на тежки метали може да се прояви катоиницииране на неоплазия, т.е. образуване на нова тъкан или тумор в резултат на окислително-редукционни процеси в тялото или разтваряне на техните частици в кръвната плазма. Ако даден метал е в състояние да достигне до определен орган и да проникне в клетките, така че с течение на времето да се получи достатъчно висока концентрация, тогава това вещество е способно да предизвика канцерогенна реакция. Така например съединенията на Ni предизвикват тумори на носната кухина, ларинкса и бъбреците, съединенията на Pb повишават риска от рак на стомаха, бъбреците и пикочния мехур, Cd предизвикват левкемия, тумори на тестисите и простатата, шествалентният Cr - рак на носната кухина, а съединенията на Hg - рак на простатата и бъбреците. Въпреки това, основният целеви орган за изброените канцерогени, включително Zn и Fe, са белите дробове, където те могат да навлязат директно чрез вдишвания въздух и почвен прах.
Трябва да се отбележи, че ако нефтените разливи върху почвата могат да бъдат елиминирани чрез въвеждане на биологични препарати или биокомпости в нея, което води до почти пълно разлагане на въглеводороди с помощта на въглеводородно-окисляващи микроорганизми, тогава проблемът с почистването на почвата, замърсена с тежки метали от петролен произход, може да бъде решен чрез фитоекстракция. Последният се състои в засяване и отглеждане на специално подбрани видове селскостопански растения върху предварително почистена от въглеводороди почва за извличане на тежки метали от кореновата система и натрупването им в надземна биомаса, която впоследствие се оползотворява. В същото време коефициентът на биологично натрупване на тежки метали от растенията, като съотношението на съдържанието на метали в растението и почвата, се увеличава чрез въвеждане на хелатиращи агенти в последната, т.е. агенти, които ускоряват пречистването на замърсената почва. Методът на фитоекстракция се счита за проств изпълнение и икономически осъществими в сравнение с механичните и физико-химичните методи за почистване на почвата. По този начин механичните методи са свързани с отстраняването на най-замърсения повърхностен почвен слой и поставянето му в депа за по-нататъшно изхвърляне, смесване с по-малко замърсени подповърхностни слоеве на почвата, чрез оран на дълбочина>gt; 40 см, или покриването му с вносна чиста почва. Физическите и химичните методи се извършват чрез измиване на почвата със специални реагенти за извличане на тежки метали от нея или почистване чрез излагане на замърсения слой на постоянен електрически ток през електродите.
Особености при почистване на почви, замърсени с тежки метали
На първо място е необходимо да се подберат видове култури, които са бързо растящи, произвеждат голяма надземна биомаса, имат дълбока коренова система и висока устойчивост на болести и вредители, отговарят на конвенционалните земеделски практики, удобни за прибиране на реколтата и непривлекателни за домашни и диви животни, така че да не причиняват случаи на интоксикация с богата на тежки метали надземна биомаса при консумация.
The content of heavy metals in the soil of a contaminated area intended for phytoextraction should not cause pronounced phytotoxic symptoms in seedlings (discoloration, pigmentation and yellowing of leaves, growth retardation, etc.), which characterizes their resistance to heavy metals and the ability to absorb the latter to the maximum by the root system and move them to the aboveground biomass due to the flow created by the evaporation of water by the leaf surface of plants.
За да се увеличи коефициентът на биологично натрупване на тежки метали в растенията, е необходимо да се приложихелатиращи агенти измежду полиаминомери, етилендиаминтетраоцетна киселина (EDTA), способни да образуват силни водоразтворими интеркомплекси с много метали. Реакцията на образуване на такова вътрешнокомплексно съединение е показана на фигурата чрез примера на взаимодействието на медни йони с динатриевата сол на EDTA. Хелатиращите агенти повишават разтворимостта, подвижността на металите в почвата и следователно тяхното усвояване от кореновата система и натрупване в надземната биомаса.
По време на фитоекстракцията хелатиращите агенти под формата на водни разтвори на техните соли се въвеждат под растенията във фазата на достигане на тяхната максимална надземна биомаса, което позволява да се увеличи коефициентът на биологично натрупване на тежки метали от растенията и следователно да се намали времето за почистване на замърсената почва.
Почистването на замърсената с тежки метали почва трябва да се извършва чрез многократно засяване и култивиране на растенията до достигане на фоновите или максимално допустимите концентрации на веществата в почвата.
В същото време период от 5-10 години се счита за икономически осъществим за фитоекстракция. Във всеки случай фитоекстракцията завършва със събиране, събиране и използване на надземна растителна биомаса, замърсена с тежки метали, тъй като събирането на цялата коренова биомаса, първоначално наситена с тежки метали, е трудно.
Надземната растителна биомаса, чрез нейното предварително изсушаване, опепеляване и последваща специална обработка, може по-късно да се използва за извличане на тежки метали от нея и повторното им използване в промишлеността.
Като цяло фитоекстракцията на тежки метали от замърсени почви според С. Душенков и др. (1997) се състои от следните основни етапи и процеси: култивиране на определен типземеделско растение, използващо подходяща агротехнология; добавяне на хелатиращ агент към почвата за увеличаване на разтворимостта и подвижността на металите; усвояване на разтворени метали от кореновата система на растението; транслокация на разтворени метали в надземна растителна биомаса; концентрация на метали в растението поради изпарението на влагата.
Почистете замърсената с тежки метали почва с горчица
Фитоекстракцията на тежки метали обикновено се предшества от предварително проучване на мястото за нивото на замърсяване, подбор на почвени проби за специални вегетационни експерименти с определени видове селскостопански растения и хелатиращи агенти, което ни позволява да оценим потенциала за почистване на замърсената почва. Така, в нашите проучвания върху почва, замърсена с Cu и Ni (100 и 100 mg/kg), ние засяхме семена от синап (Brassica juncea). След 7,5 седмици, когато горчицата достигна максимална надземна биомаса, EDTA се въвежда в почвата под формата на воден разтвор на натриева сол на това вещество в дози от 1 до 10 mmol/kg и след 1 седмица растенията се нарязват, изсушават и се анализира съдържанието на Cu и Ni в биомасата; същите вещества са определени в почвени проби, взети преди и след процедурата по фитоекстракция. Както се оказа, с увеличаване на дозата на EDTA, коефициентите на биологично натрупване на тежки метали и следователно потенциалът за почистване на замърсената почва се увеличават спрямо контрола (без EDTA) за Cu с 2,8-43,6 пъти, за Ni - 1,8-25,3 пъти. За количествена оценка на фитоекстракционния потенциал са изчислени периодите на достигане на фоновите концентрации на Cu и Ni по формулата t = ln (yo/y)/k, където yo е действителната концентрация на метал в почвата; y е фоновата концентрация на метала в почвата; k - константаскоростта на намаляване на съдържанието на метал в почвата. Установено е, че многократното засяване и отглеждане на горчица с EDTA значително намалява времето за почистване на почвата, замърсена с тежки метали. По този начин времето за достигане на фоновите концентрации на Cu (31,6 mg/kg) и Ni (63,5 mg/kg) при внасяне на EDTA в почвата в дози от 1 до 10 mmol/kg намалява спрямо контролата (без EDTA), съответно от 2 до 2,6 и 2,6 до 3,3 пъти.
Като цяло двукратната сеитба и отглеждането на горчица през един вегетационен период може да намали времето за почистване на замърсената с тежки метали почва 2 пъти във всички варианти на експеримента.
По този начин замърсяването на почвата с тежки метали от петролен произход, като вещества, които са много опасни за хората, е значителен геоекологичен проблем, който трябва спешно да се реши в регионите, свързани с добива, транспортирането и преработката на нефт. Най-приемливият начин за почистване на замърсени с тежки метали почви е фитоекстракцията, тъй като е прост и рентабилен подход в сравнение с механичните и физикохимичните методи.